人脑是一台计算机吗？

1.发展历史

为了回答“人脑是一台计算机吗”这个问题，先来了解一下计算机的发展历史，根据计算机的发展总结计算机的特点。

1931 年，Vannevar Bush 在麻省理工学院 (MIT) 发明并制造了差分分析仪，这是第一台大型自动通用机械模拟计算机，这台机器使用机械积分器（变速齿轮）来求解微分方程。

特点：差分分析仪采用机械结构。

1941 年，Atanasoff 和 Clifford Berry 设计了世界上第一台真正意义上的电子数字计算机，用了300个电子管，称为 Atanasoff–Berry Computer (ABC)。不过这台机器还只是个样机，并没有完全实现阿塔那索夫的构想。

特点：ABC开创了计算机的两个重要元素：二进制算术，电子开关。

1946年，ENIAC在美国宣告诞生，全称为Electronic Numerical Integrator And Computer，即电子数字积分计算机，ENIAC是继ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）之后的第二台电子计算机。它是完全的电子计算机，能够重新编程，解决各种复杂计算问题。美国国防部用它来进行弹道计算。它是一个庞然大物，用了18000个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电功率约150千瓦，每秒钟可进行5000次运算。

特点：ENIAC计算机开创了现代计算机的重要元素：二进制算术，电子开关，可重复编程。

根据计算机的发展过程，可知计算机是一种高度自动化的、能够按照预先设定的程序进行高速数值运算和逻辑判断的现代化职能电子设备；其内部被传送、存储和运算的信息都是以电信号形式表示的2进制数字。计算机有如下基本特征：

1、计算机采用电子器件为基本部件。
2、计算机内部采用二进制运算。
3、计算机可以进行复杂高速运算。

46亿年前地球形成，35－38亿年前细胞形式的生命就已经出现，从南方古猿算起人类的出现，则有200～300万年。

经过数十亿年才最终进化演变出来的人类大脑是一台计算机吗？是一台如何性能的计算机呢？

2.人脑与计算机对比

2.1基础单元

人脑基础单元

人脑是大自然创造的最精密，最复杂的器官。人脑的神经系统由神经元组成，神经元是人脑神经的基本单元。神经元能感知环境变化，能将信息传递给其他神经元，并指令机体做出反应。
神经元由胞体、轴突、树突几个部分组成。

胞体
胞体是神经元的核心，像一个八爪鱼，典型的神经元的胞体的直径大约为20um。胞体内含有细胞核，内质网，高尔基体，线粒体。

轴突
轴突是神经元细胞特有的结构，轴突承担了神经系统中信息传递的使命。人类神经系统中轴突的长度有些小于1mm ，有些大于1米。这些轴突能作为“电线”传递信息。

树突
树突的作用相当于神经元的天线，树突上覆盖有成千上万的突触，突触上有很多受体，用于感知神经“信号”

计算机基础单元

组成现代计算机最基础的单元是晶体管，晶体管组成逻辑门，逻辑门组成复杂的数字电路。晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、晶闸管等。这些晶体管的组合可以使电信号在通过它们之后，产生新的高电平或低电平的信号。

2.2基础信号

神经元信号

神经元内部和外部有大量的带电离子，并且这些带电离子浓度不一致，导致神经元内部和外部存在电压差。
根据离子浓度，使用Goldman方程计算出的膜电位差为-65mV , 使用微电极实际测量出的也是-65mV 。

神经元上有一种名为电压门控通道，该通道可以让指定的离子通过，从而改变神经元内部电压。


当神经元接受到“信号”之后，电压门控通道打开，使得神经元内部电压改变，最终神经元生产了一个动作电位，动作电位的波形如下：

动作电压波形可以看作脉冲信号，由图可知动作电位的脉冲电压差约为100mV ,动作电压的脉冲信号时间约为2ms 。

计算机信号
现代计算机存储和处理的数据采用二值电信号，二值信号能够能容易的表示和存储，例如，可以表示为穿孔纸袋上的有孔和无孔，导线上的高电平和低电平。


小结：
组成人脑最小单元的神经元使用的是约100mV电信号，并且信号的值是有动作电位和无动作电位，由此可见人脑使用的是二进制电信号。

2.3执行速度

神经元执行速度

神经元上的电压门控通道可以让指定的离子进入神经元，从而改变神经元内部电压产生动作电位。

电压门控通道并不能不受任何限制的随意开关，电压门控通道开关控制有如下特性：

1、通道开发有短暂的延迟。
2、通道开发的时间约为ms，然后关闭。
3、只有当膜电位恢复后，通道才会再次打开。

神经元的动作电位的速率是有上限的，最大的产生频率大约为1000Hz。就是说当一个动作电位产生后，1ms以内不可能再产生下一个动作电位，这段时间称为绝对不应期。此外，在绝对不应期后的几个毫秒内要产生下一个动作电位也比较困难，这段时间称为相对不应期。

计算机执行速度

麒麟9000芯片是国货之光的华为公司于2020年10月22日发布的基于5nm工艺制程的手机Soc，集成多达153亿个晶体管，包括一个3.13GHz A77大核心、三个2.54GHz A77中核心、四个2.04GHz A55小核心，最高主频可达3.13GHz。

神经元的最高工作频率为1KHz,因此人类大脑的最高工作频率就是1KHz。而目前计算机的工作频率可以达到3GHz，工作频率之比为1:3000000 ，这就是说人类大脑工作1秒，计算器已经工作了34.7天了。

小结：
人脑使用二进制电信号，是一台标准的电子计算机，由于神经元的最高工作频率为1KHz，因此人脑是一台工作频率为1KHz的计算机。
人类大脑就这么弱吗？
当然不是，接下来我来介绍一下大脑的神奇能力，看看1KHZ大脑是如何吊打3GHz计算机的。

3.大脑为何如此强大

3.1并行能力

计算机可以为我们执行丰富的应用程序，可以“同时”满足我们的各种使用需要。计算机之所以能同时完成我们各种需求，是因为计算机系统能“并行”执行多个用户的应用程序。
事实上计算机并不是真正的并行执行多个任务，而是：宏观并行，微观串行。

某一时刻计算机只能运行一个应用程序，计算器依次高速调度执行应用程序，实现多个任务轮流运行，给用户的宏观体验是多个应用程序同时运行。

人脑由多个部分组成，主要包括大脑、小脑、间脑、脑干部分。

1、大脑：大脑是中枢神经系统的最高级部分，完成与高级情感、精神、视力功能，语言功能、肢体运动等相关功能；
2、间脑：完成与睡眠、摄食以及语言、感觉密等相关功能；
3、小脑：主要实现与平衡、精细动作控制等相关功能；
4、脑干：主要与意识状态、生命中枢等相关功能；

人脑分为多个组成部分，其中每个组成部分又分为多个功能分区，这每个分区均可以独立完成特定功能。

人脑中的每个功能分区都可以独立，同时工作，实现真实意义上的并行。
俗话说“三个臭皮匠顶个诸葛亮”，人脑中许多个功能分区同时工作，高速完成各种复杂控制。无数个小人物在一起也能干出奇迹！

大哥带小弟

人脑不仅是多个功能分区同时并行工作，人脑作为“大哥”还带了一个“小弟”，这个“小弟”叫做自主神经系统。我们来看看这个“小弟”都能干些啥。

自主神经系统又称为植物神经系统，是一个内脏神经中的运动神经系统，自主神经系统可以实现自主控制，正常情况下不需要主动干预。
自主神经系统控制着性命攸关的生理功能，如心率，消化，呼吸速率，瞳孔反应，排尿，性冲动。
交感神经和副交感神经是自主神经系统的重要组成部分。

交感神经的主要功能如下：
瞳孔散大，心跳加快，皮肤及内脏血管收缩，冠状动脉扩张，血压上升，小支气管舒张，胃肠蠕动减弱，膀胱壁肌肉松弛，唾液分泌减少，汗腺分泌汗液、立毛肌收缩等。
当机体处于紧张活动状态时，交感神经活动起着主要作用。

副交感神经作用与交感神经作用相反，它不如交感神经系统具有明显的一致性，副交感神经主要功能如下：

1、瞳孔缩小以减少刺激，促进肝糖原的生成，以储蓄能源。 2、引起心跳减慢，血压降低，支气管缩小，以节省不必要的消耗。
3、消化腺分泌增加、增进胃肠的活动，促进大小便的排出，保持身体的能量。

副交感神经系统主要维持安静时的生理需要。

小结：
人脑的并行处理能力远超当前阶段的计算机！

3.2人脑的超能力

人脑除了远超计算机的并行能力之外，还有很多超能力“碾压”计算机，主要体现在：

1、视觉能力
2、专用神经通道
3、可塑能力

3.2.1视觉能力

物体反射或者发射的光在眼睛视网膜上成像，视网膜将光信号转换成光感受器阵列膜电位变化，膜电位变化从视网膜依次经过外侧膝状体LGN、初级视皮层V1、次级视皮层V2 、视皮层第四区V4和下颞叶皮层IT的加工处理，最终形成颜色感知。

我们先来看看外侧膝状体这个神奇的器官，外侧膝状体是位于丘脑的一个的神经核团，直径只有几个毫米。因为它的形状像弯曲的膝盖，所以叫“膝状体”。

侧膝状体内部分为6层，这6层分属两类——大细胞层和小细胞层。
大细胞层指的是这类细胞的感受野尺寸比较大，小细胞层指的是这类细胞的感受野尺寸比较小。

大细胞和小细胞分别对不同类型的视觉信号敏感，特点如下：

1、大细胞喜欢“运动信息”，对运动的方向、速度信息很敏感，但是对物体的精细结构不敏感。
2、小细胞喜欢“形状信息”，对物体的精细结构敏感，但对运动信息不敏感。

大细胞和小细胞就将输入的视觉信号分为两类，各自打包向皮层传输，从而实现了“双通道并行”的模式。这种并行模式，使得后续视觉皮层检测多种视觉特征信息变得更加容易。

计算机视觉系统

特斯拉视觉系统代表着当前计算器视觉识别的先进水平，特斯拉的视觉系统由8个摄像头环绕车身，视野范围达 360 度，每个摄像头采集分辨率为1280 × 960，12-Bit, 36Hz的RAW格式图像，对周围环境的监测距离最远可达 250 米。摄像头捕获环境中的视觉信息经过一系列神经网络模型的处理，最终直接输出3D场景下的 “Vector Space”用于后面的规划和智驾系统。

相对人脑的视觉识别系统，特斯拉的视觉系统算法并不是非常成熟，很容易因为算法的错误识别出现安全事故。比如最典型的案例就是之前发生的“特斯拉无法识别白色卡车”事件，容易出现直接相撞的事故。

3.2.2专用神经通道

在人脑神经系统中有许多专用的神经控制通道，正因为这些专用的通道存在使得人脑神经系统实现更快的闭环控制。
中枢前庭系统有一个非常重要的功能：保持眼睛对一个特定方向的注视，这是通过前庭-眼反射（VOR）来完成的。VOR通过感受头部的旋转，来指挥眼睛向相反的方向做补偿性的运动，这个运动有助于人将视线牢牢锁定在视觉目标上。

VOR的有效性取决于自半规管至前庭核，至颅内使眼外肌兴奋的核团的特殊连接，正是因为这个专用的控制通道，使得人可以在运动过程中牢牢锁定在视觉目标。

3.2.3可塑能力

中枢神经系统（CNS）的发育中连接或通道分为3个阶段：路径选择、靶位选择、地址选择。

突触重排是地址选择过程中的最后一步，突触重排是神经元活动和突触传递的结果。例如在视觉系统中一些连接通道网络在出生前已经产生，然而一些重要的连接通道网络发育在出生以后，我们最终的成年视觉系统的表现在很大程序上决定于出生后的早期视觉环境的影响。

人脑发育过程中的神经环路形成大多发生在出生前，并且受到两方面的引导，一是神经细胞和神经细胞间的接触，另一方面是弥散性化学信号。尽管绝大部分的神经环路都在出生前分布到合适的位置，但是神经细胞最后的连接，发生在婴幼儿早期的关键期，并且受到感觉环境影响。

关键期的结束并不意味着突触可塑性结束。成年脑的前叶和颞叶的一些更高级的皮层区域也能表现出可塑性。在整个生命过程中，环境在某种程度上影响着大脑。

4.参考资料

1、《神经科学——探索脑》 —— Mark F. Bear、Barry W. Connors、Michael A. Paradiso
2、《深入理解计算机系统 》 ——Randal E.Bryant / David O’Hallaron
3、《计算机组成与设计》——戴维A.帕特森 (David A.Patterson) / 约翰 L.亨尼斯 (John L.Hennessy)

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作者：李巍
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