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本文很好地提醒了我，为什么我愿意跟如此美丽可爱的大脑一起工作。因为真正的大脑非常不可爱，长得也难看。但是，过去一个月，我一直生活在充斥着红色血管的Google图像的地狱里，所以现在你也得忍着点儿。我们从外往里看吧。生物学有时似乎非常让人满意，比如你的头上有一个真正的俄罗斯套娃。
你有头发，然后是头皮，你认为下面就是你的头骨了——但实际上头骨之上还有19样东西。你的头骨下面，又是一大堆东西，之后才是你的大脑：
在你的头骨下面，大脑周围有三个膜，将大脑环绕：在外面，有硬脑膜，坚固耐用，防水。硬脑膜与颅骨齐平。我听到有人说，大脑中没有疼痛感觉区，但硬脑膜实际上能感觉疼痛，且和你的面部肌肤一样敏感，硬膜上的压力或挫伤往往造成了人们严重的头痛。然后下面是蛛网膜，这是一层皮肤，然后是带有弹性的纤维的开放空间。我一直以为我的大脑只是漫无目的地漂在我大脑中的某种液体里，但实际上，脑外和颅骨内壁之间的唯一真正的空间差距是这个蛛网膜。这些纤维稳定了大脑的位置，因此不能动作太大，他们充当减震器，当你的头撞到东西。这个区域充满了脊髓液。最后，是软脑膜，和脑外融合的很精巧的皮肤层。你知道，当你看到一个大脑，它总是覆盖着恶心的血管。但这些并不是真正在大脑的表面上，它们埋设在里面。下面是完整的样子，使用的样品可能是猪的大脑：
从左到右是皮肤（粉红色），然后是两个头皮层，然后是头骨，然后是硬脑膜，蛛网膜，最右边是只由软脑膜覆盖的大脑。一旦我们把其他部分都剥离下来，我们留下了这个傻孩子：
这个荒谬的东西是宇宙中最复杂的已知物体，重约三磅，神经工程师蒂姆·汉森（TimHanson）称之为“最具信息密度、结构化、自组织化的物质之一”。所有这一切只有20瓦的功率（类似计算机的功率为万瓦特）。这也是麻省理工学院教授PolinaAnikeeva所说的“你可以用勺子舀出的软布丁”。大脑外科医生BenRapoport将它更科学地描述为“布丁和果冻之间的某种形态”。他解释说，如果你将大脑放在桌子上，重力会使它失去形状，变得很平坦，像一个水母。但这就是我们。你看着镜子，看看你的身体和你的脸，你认为这是你——但这只是你的机器。你实际上是一个贪玩的果冻。我希望你不介意。KrishnaShenoy教授将我们对大脑的认识与十五世纪初的世界地图做比较。另一位教授JeffLichtman甚至更加苛刻。他在课程开始问他的学生：“如果你需要知道的关于大脑的一切是一英里，我们走了几英里？”他说，学生们给出了四分之三英里、二分之一英里或是四分之一英里的答案，但他认为真正的答案是“大约三英寸”。
第三个教授，神经科学家MoranCerf，跟我分享了一个神经科学中由来已久的说法，指出试图理解大脑有点22条军规的感觉：“如果人类的大脑这么简单，能够让我们理解，那我们将会因为如此简单，而不能理解大脑。”也许，在我们正在建设的伟大的知识塔的帮助下，我们可以在某个时候理解大脑。现在，让我们看看我们对头脑里面的这只水母目前有哪些了解。大脑，缩小看看让我们使用半球横截面看看大脑的主要部分。因此，这是你脑袋里大脑的样子：
现在，让我们把大脑取出来，并删除左半球，这让我们能看清楚内部。
神经学家PaulMacLean做了一个简单的示意图，说明我们前面谈到的爬行动物大脑在进化中的第一次出现，然后是在哺乳动物兴盛阶段形成的古生哺乳动物脑和新哺乳动物脑。
也可以这么表示
让我们来看看每个部分：脑干及小脑（TheBrainStemandCerebellum)这是我们的大脑最古老的部分：
我们的大脑横截面中青蛙大脑的残留。事实上，青蛙的整个大脑与我们大脑的低水平部分相似。
当你了解这些部分的功能，它们很古老这件事就说得通了：一切这些部分能做的事情，青蛙和蜥蜴都可以做。以下是主要部分：延髓（Themedullaoblongata）
延髓真的只是让你不会死。它控制非自主的事情，比如你的心脏速率、呼吸和血压。当它认为你中毒了，就会让你呕吐。脑桥（Thepons）
脑桥的工作是，做点这个，做点那个。它涉及吞咽，膀胱控制，面部表情，咀嚼，唾液，眼泪等等。中脑（Themidbrain）
中脑与视觉，听觉，动作控制，警觉性，体温控制有关，还有一堆其他的事情。大脑被分为了前脑、中脑和后脑。
有一件我要感谢脑桥和中脑的事是，它控制你的眼球自主运动，如果现在你在转眼球，就是你的脑桥和中脑在搞事情。小脑（Thecerebellum）
这个看起来像你大脑阴囊的东西是你的小脑，它使人保持平衡、协调和正常移动。边缘系统（ThelimbicSystem）大脑的边缘系统在脑干上，就是它让人类如此疯狂。
边缘系统是一种生存系统。如果你在做你的狗也会做的事情，比如吃，喝，交配，战斗，躲避等等，可能就是你的大脑边缘系统在驾驭你。无论你喜欢与否，你做的那些事情，就是处在原始的生存模式。边缘系统也是你的情感所在，最终，情绪也都是为了生存——情感是更高级的生存机制，对于处在一个复杂的社会结构中的动物是必须的。每当你发生思想斗争时，你的边缘系统很可能会让你做出你会后悔的事情。我敢肯定，控制你的大脑边缘系统，既意味着成熟，也是一种人性的挣扎。这并不是说没有边缘系统，我们会过得更好。边缘系统在让我们人类如此独特中起到了一半的作用。生活的大部分乐趣来源于你的情绪和需要得到满足。只是你的边缘系统不知道你活在社会文明中，如果你让它做主太多，它很快就会毁了你的生活。无论如何，让我们再仔细看看。边缘系统有很多小部分。杏仁核（Theamygdala）
杏仁核有点儿像是大脑结构的情感遗骸。它涉及焦虑，悲伤，以及我们的恐惧反应。有两个杏仁核，奇怪的是，左边的已被证明更平衡，有时会产生一些幸福的感觉，而右边的永远心情不好。海马体（Thehippocampus）
你的海马体就像记忆的一块板子。当老鼠开始记忆迷宫的方向，记忆在海马体上编码。大鼠的两个海马体的不同部分将在迷宫的不同部分起作用，因为迷宫的每个部分被存储在自己的海马体部分。但是，如果学习一个迷宫后，大鼠被给予其他任务，一年后，被带回原来的迷宫，就会很难回忆起它，因为海马体记忆板上的大多记忆已经被抹去，释放给新的记忆。丘脑（Thethalamus）
在大脑的中心位置，丘脑也作为中间人，从你的感官接收信息，并将其发送到你的皮质处理感官。当你睡觉时，丘脑也一起上床，这意味着感官中间人下班了。这就是为什么在沉睡中，一些声音或轻轻的触摸往往不会让你起来。如果你想唤醒深度睡眠的某人，你必须展示出足够的侵略性来唤醒他们的丘脑。唯一的例外是你的嗅觉，这是绕过丘脑的一个感觉。这就是为什么嗅盐可以用来唤醒一个晕倒的人。不像其他的感官，嗅觉位于边缘系统，这就是为什么气味和记忆与情感如此紧密地联系在一起。皮层（Cortex）最后，我们到达了大脑皮层。大脑皮层（本文主要指新皮层，文中统称皮层）基本上负责所有事情：看，听，触觉，语言，动作，思维，规划和个性。它分为四叶（lobe）：
它们每个都做了很多事情，且有很多重叠：额叶（Frontlobe）处理个性，以及我们认为的许多“思考”——推理、规划和执行能力。特别是，您的许多想法发生在额叶的前部，称为前额叶皮质。额叶负责你的身体运动。额叶的顶部条是您的主要运动皮质。在其它功能中，顶叶控制你的触觉，特别是在初级躯体感觉皮层。运动和躯体感觉皮层紧挨着对方，它们很有趣，因为它们已经被良好的映射出来了。神经科学家确切地知道每个部分连接到你身体的哪一个部分。于是就有了下面这张令人毛骨悚然图：侏儒。由先锋神经外科医生怀尔德·彭菲尔德创建的侏儒，在视觉上显示运动和躯体皮层如何被映射。如果你把皮层从大脑中剥下来，你会得到一张2mm厚，2,-2,cm2大小（48cmx48cmsquare）的餐巾纸。这块餐巾是大脑发生大部分动作的地方，这就是为什么你可以思考，移动，感觉，看，听，记，说话和理解语言。真是有史以来最好的餐巾纸。还记得我之前说你是一个果冻吗？你现在知道，感谢你的皮层，你实际上是一块餐巾纸。当我们将另一个大脑放在我们剥离的皮层上时，可以看出皮层折叠的神奇效果。大脑，放大看看即使我们知道大脑很久以前就坐在智慧的宝座之上，直到最近，科学才发现大脑是由什么构成的。科学家们知道身体是由细胞制成的，但是在19世纪末期，意大利医生CamilloGolgi才想出如何使用染色方法来看到什么是脑细胞。结果令人惊讶：这不是一个细胞本来的样子。Golgi发现了神经元。科学家们很快想通了，神经元是组成大脑和几乎所有动物的神经系统的核心单元。有很多不同类型的神经元。我们来讨论一下简单且被人说滥了的神经元锥体细胞，你会在你的运动皮层发现这么个家伙：
然后如果我们给他一些额外的腿，一些头发，把他的胳膊拿掉，再把它抻长，我们就得到了一个神经元。
现在再添加几个神经元
因此，这些家伙的躯干——神经元的轴突都具有一个负“静息电位”，这意味着当它处于静止状态，它的电荷是轻微的负。在任何时候，一堆人的脚和这些家伙的头发——神经元的树突——保持接触。他们的脚把化学物质——神经递质——传到他。
神经网络
大脑材料可分为叫做灰质和白质两类。灰质看起来颜色较深，且由大脑神经元的体细胞及其轴突和树突组成。白质是白色的，因为这些轴突通常包裹在髓鞘中，呈脂肪白。白质之间的大块主要由皮层神经元的轴突组成。大脑皮层是像一个伟大的指挥中心。我见过的反映这一概念最酷的插图，由Dr.GregA.DunnandDr.BrianEdwards.完成，让我们看看灰质皮质的外层和它下面的白质结构之间的显著差异：
这些皮层轴突可能将信息带到了大脑下部皮层的另一部分，或通过脊髓经神经系统的高速公路到了躯体的其余部分。让我们来看看整个神经系统：神经系统分为两个部分：中枢神经系统–你的脑和脊髓，和外周神经系统——由从脊髓向外辐射到身体其他部分的神经元构成。大多数类型的神经元是与其他神经元沟通的interneurons。其他两个种类的神经元是感觉神经元和运动神经元–它们顺着你的脊髓而下，组成了外周神经系统。这些神经元可长达一米。以下是每种类型的一个典型结构：
脑机接口让我们回到公元前50年，绑架一个叫Bok的人并把他带回到年。“这位是Bok。Bok，我们真的很感谢你和你的朋友们发明了语言。”尽管Bok震惊地发现了很多神奇的事情，但他发现，人们彼此交谈的方式，和他那个时代没什么区别，仍然在使用50年前的技术。Bok可能也有些惊讶，我们这些做出了各种神奇机器的人，在生物外形上跟他也没什么区别。怎么会这样呢？这就是为什么脑机接口，神经工程的一个子集，是这样一个诱人的新产业。我们已经用我们的技术征服了世界多次，但是当它涉及到我们的大脑——我们最重要的工具，技术世界有太多的气馁和挫败。这就是为什么我们还在使用的Bok发明的技术沟通，这就是为什么和大脑相关的疾病还如此致命。但是，5万年后，可能终于要改变了。大脑下一个伟大的前沿战线也许就是它自己。有许多种潜在的脑机接口（BMI），可以提供许多不同的功能。但是，每个人都在努力解决这两个问题中的一个或两个：1）如何从大脑中获取正确的信息？2）如何将正确的信息发送到大脑？第一个是关于捕获大脑的输出——记录神经元所说的话。第二个是关于将信息输入大脑的自然流或以其他方式改变自然流——这是关于刺激神经元。这两件事情一直在你的大脑里自然发生。现在，你读这句话时，眼睛正在做一个特定的水平移动。大脑的神经元将信息输出到机器（您的眼睛），机器接收命令并进行响应。当你的眼睛以正确的方式移动时，屏幕上的光子进入你的视网膜并刺激您的皮质枕叶中的神经元，以允许单词的图像进入你的眼睛。然后，该图像会刺激大脑另一部分的神经元，使你能够处理图像中嵌入的信息并吸收句子的意义。输入和输出信息是大脑神经元做的。所有的BMI都想做的就是加入这一过程。初看上去，这似乎不是那么困难的任务？大脑只是一个果冻，对吧？而皮质-我们想要做大部分的记录和刺激的大脑的部分只是一张餐巾纸，位于大脑外侧，方便您访问。皮层内约有亿个发射神经元，如果我们能够搞清楚运作方式，那么亿个流动的小晶体管将会给我们一个全新的对生命、健康和世界的控制。我们不能弄清楚吗？神经元很小，但我们知道如何分裂原子。神经元的直径约为原子的十万倍，如果原子是大理石，则神经元将跨越一公里，所以我们应该可以处理的，对吧？那么这里有什么问题？一方面，基于以上这些事实，有观点认为这是一个可以发生巨大进步的行业。我们做得到。但只有当你了解大脑中究竟发生了什么，你会意识到为什么这可能是世界上最难的事情。所以在我们谈论自己的BMI之前，我们需要仔细看看试图让BMI在这里处理的人。我发现说明事情的最好办法是将大脑放大1倍，看看发生了什么。还记得我们的皮质餐巾纸吗？
如果我们把它放大1倍，那么每条边约48cm的皮质餐巾纸，现在有六个曼哈顿街区（或两个街区）的长度。大概需要25分钟的时间才能走一圈。而整个大脑整体现在可以紧贴在两个街区之间，就像麦迪逊广场花园（MadisonSquareGarden）的大小（这个长度和宽度的大小相当于MSG的两倍）。
因此，让我们在实际的城市里摊开来。我敢肯定，住在这里的几十万人能够理解。
我选择1,X作为我们的乘数有几个原因。一个是我们可以立即转换我们头脑中的尺寸。每毫米的大脑现在是一米长。而在更小的神经元世界，每一微米现在都是一个易于概念化的毫米。其次，它方便地将皮质带到人体尺寸-其2mm厚度现在是两米-高（66“）的高度。所以我们可以走到第二十九街，到我们巨大皮质餐巾的边缘，轻轻的看看那两米厚的内部发生了什么。为了示范，我们拉出一立方米的巨型皮质来检查，这将告诉我们在一个典型的立方毫米的真实皮质中发生了什么。我们在这一立方米里看到的将是一团糟。我们把它清空出来。首先让我们把体细胞放进去——立方体内所有神经元的体细胞。体细胞的大小是一个范围，但我聊过的神经科学家说，皮质神经元的体细胞通常直径约为10或15μm（μm=微米，1/毫米）。那意味着，如果你把7或10个体细胞排成一行，这条线就是人头发的直径。在我们的规模下，这使得体细胞直径为1-1.5厘米。大理石啊。整个皮层的体积在50万立方毫米的场内，在这个空间大约有亿个体细胞。这意味着平均每立方毫米皮质含有约40,个神经元。所以我们的立方米盒子里有4万个大理石。如果我们将盒子分成约4万立方米的空间，每边都有3厘米（或大约一立方英尺）的一边，这意味着我们每个人的大理石都在自己的小3厘米立方体的中心，其他的体细胞在各个方向上距离它大约3厘米。怎么样？这40,个漂浮的大理石能不能帮你可视化我们的立方体？这是一个在实际皮质中的体细胞的显微镜图像，使用了阻挡其周围其他东西的技术：
好吧，到目前为止还不太疯狂。但是，体细胞仅仅是每个神经元的一小片。从我们的每一个大理石大小的体细胞中散发出来是曲折分岔的树突，在我们按比例增加的大脑中能在许多不同方向伸展三四米，从另一端的轴突可以超过米长（横向于皮质的另一部分），或一公里长（向下进入脊髓和身体）时。他们每个都只有一毫米厚，这些线把皮层变成密集纠结的电子意大利面。意大利面里面也不消停。每个神经元有多达1——有时高达10,——和其他神经元突触的连接。皮层中有约亿的神经元，这意味着皮质中有超过20万亿的个体神经元的连接（整个大脑中有高达千万亿个连接）。在我们每个立方米中，将有超过2万的突触。更复杂的是，立方体中40个大理石中不仅每一个都有许多意大利面穿走出来，同时还有从皮质其他部分穿出的数以千计的意大利面穿过立方体。这意味着，试图记录信号或在这个特殊的立方区域内刺激神经元，有很多困难，因为在意大利面的烂摊子里，很难找出哪些面条属于我们的体细胞大理石。当然，还有神经可塑性的事情。每个神经元的电压是不断变化的，多达每秒数百次，同时数以千万计的突触连接会在我们的立方体内更改大小、消失、重新出现。如果只是这样就好了。原来大脑中还有被称为神经胶质细胞的其他细胞，有许多不同的品种，具有多种功能，如清扫释放到突触的化学物质、在髓鞘包装轴突、作为大脑的免疫系统等等。下面是一些常见的神经胶质细胞：
有多少神经胶质细胞在大脑皮层？和神经元数量相同。所以再加40个这样的怪胎到我们的立方体里吧。最后，还有血管。在每立方毫米的皮质，共有一米的毛细血管。在我们的规模下看，这意味着在我们的立方米内，有一公里长的血管。这样大小的空间内，血管是什么样子？
BMI工具在目前正在进行的工作中，评估一种记录工具的利弊时，有三个广泛的标准似乎脱颖而出：1）规模-可以记录多少个神经元2）解析度-工具收到的信息有多详细-有两种类型的分辨率：空间（你的记录有多接近能告诉你单独的神经元如何被触发）和时间（当你记录的活动发生时，你记录的有多好）3）侵略性–操作是否需要，如果是，有多需要？长期的目标是把所有三个蛋糕都吃完。但现在，总有一个问题：“这些标准你愿意放弃哪个？”从一个工具到另一个工具不是一个整体的升级或降级，而是一种权衡。我们来研究当前使用的工具类型：fMRI（功能磁共振成像）规模：高（它显示整个大脑的信息）解析度：中低空间，非常低的时间侵入性：非侵入性
fMRI通常不用于BMI，但它是一种经典的记录工具，提供了有关大脑内部发生情况的信息。fMRI使用MRI磁共振成像技术。MRI在20世纪70年代发明，是基于X射线的CAT扫描的演变。MRI不是使用X射线，而是使用磁场（以及无线电波和其他信号）来产生人体和脑的图像。而这一整套的横截面，让您穿过头去看到里面。fMRI使用MRI技术来跟踪变化的血流量。为什么？因为当大脑区域变得更加活跃，他们使用更多的能量，所以他们需要更多的氧气，使血流增加该区域的氧气供应。fMRI的有很多医疗用途，其最大的缺点是分辨率。fMRI成像体素的尺寸不断缩小，随着技术有所改善，使空间分辨率可达立方毫米。大脑有大约1毫米体积，所以fMRI成像扫描将大脑划分约一百万小立方体。问题是，对神经元的规模来说，这仍然是相当巨大的，每一个像素包含的神经元数以万计。更大的问题是时间分辨率，fMRI跟踪血流，既不精确，且有延迟。EEG（脑电图）规模：高解析度：空间上非常低，时间上中高侵入性：非侵入性
近一个世纪以来，EEG（脑电图）把电极阵列罩在你头上。你知道，就是这样：33EEG对于一个年的人来说，绝对是一个非常原始的技术，但现在，它是可以BMI中完全无创的唯一工具。脑电图记录大脑不同区域的电活动，显示出如下结果：脑电图可以揭示有关医疗问题的信息，如癫痫症等。与fMRI不同，EEG从脑中获取电信号具有相当好的时间解析度，——尽管头骨大大地模糊了时间精度（骨骼是坏导体）。主要缺点是空间解析度。每个电极仅记录来自数百万或数十亿神经元电荷的广泛平均矢量和。想象一下，大脑是一个棒球场，它的神经元是人群。我们想要的信息，不是电子活动，而是声带活动。在这种情况下，脑电图就像一组麦克风，放在体育场外面，靠在体育馆的外墙上。你可以听到人群的欢呼声，也许可以预测他们正在欢呼的事情。你可以听到指示牌变化的迹象。你可能会发现一些异常。但也就这样了。
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