人脑是否能重启？

Posted 2022-10-12 liyinuo2017

1.重启

“人脑是否能重启”这个问题还不简单，人们睡眠后觉醒就是重启啊。

事实真的是如此简单吗？我们先不急着给出结论，前面提到“人们睡眠后觉醒就是重启”这句话中有两概念：
1、睡眠和觉醒，这两种人脑工作状态。
2、从睡眠到觉醒这个过程就是重启。

为了更直观的理解人脑工作状态和重启，我们先对比一下计算机的运行状态以及重启。计算机通常情况下有以下四种运行状态：

1、工作状态
2、睡眠状态
3、休眠状态
4、关机状态

工作状态
工作状态就是计算机的全功能状态，此时计算机的所有硬件模块均处在工作状态，用户输入任何指令，计算机将立即反馈，在这种状态下的功耗最高。

睡眠状态
睡眠状态就是计算机处理器停止运行，计算机内存中的数据继续保存在内存中，内存任然被供电持续工作，此时计算机中的其他外设均停止工作。当计算机被唤醒后可以状态恢复成睡眠前的样子，在这种状态下的功耗较低约2W左右。

休眠状态
休眠状态和睡眠状态的绝大部分状态是相同的，区别之处在于：睡眠状态下内存中的数据被持续保持在内存中，休眠状态下内存中的数据会被写入硬盘，然后内存也进入停止工作状态，唤醒系统时，硬盘中的内存镜像被写入内存，计算机的所有状态恢复成休眠前的样子。在这种状态下的功和关机功耗差不多。

关机状态
关机时计算机的所有硬件模块全部断电，所有硬件模块停止工作，在这种状态下的功耗几乎为零。

重启定义
重启就是计算机从关机状态进入工作状态的整个过程。

我们平时说的“开机”（计算机从关机状态进入工作状态）就是重启，我们平时将说的“重启”（计算机从工作状态切换到关机状态然后在切换到工作状态）也是重启。知道重启的定义，接下来我们看看人脑的工作模式。

人脑工作状态

人脑有如下三种工作状态：

1、清醒
2、非REG睡眠
3、REM睡眠

EEG为脑电图，是一种能帮助我们“窥视”大脑皮层活动的测量手段。

在睡眠过程中，人们会多次进入快速眼动睡眠（REM）的状态，此时人们的躯体（眼肌除外）处于静止状态，并可能出现生动的幻觉，这种幻觉叫做梦。整个睡眠过程除掉快速眼动睡眠状态（REM）剩下的时间则处于非快速眼动睡眠（non-REM）的状态。

非REM睡眠
在非REM睡眠状态下，全身肌肉张力下降，活动减少到最低程度，在非REM睡眠状态下身体是可以活动的，但是很少情况下是在脑指挥下进行，活动通常只是为了调整体位。在非REM睡眠状态下心率、呼吸、肾功能都降低，消化功能则加强。脑的能量消耗和神经元总体发放率均处于最低水平。非REM睡眠的特征可以描述为“一个可以活动的躯体中的空闲的脑”。

人类大脑拥有数百亿个神经细胞，成人的大脑一天只消耗250-300千卡。也就是说，一个重量介于1300-1400克(成人大脑的平均重量)的大脑的功率约为15瓦特。大脑所消耗的能量相当于1个白馒头。

REM睡眠
REM睡眠特征可以描述为“一个瘫痪的躯体中的活跃而又充满幻觉的脑”。在REM睡眠状态下人脑的耗氧量甚至比清醒时更高，但是身体却处于瘫痪状态，此时骨骼肌的张力几乎丧失，在这种状态下身体的多数部位实际不能活动（这是一种保护作用，可以避免我们随着梦境作出动作，而伤害到自己或他人），但是控制眼动的肌肉则特别活跃，此时眼睛会快速来回移动。REM睡眠状态时人们会产生梦境，有时甚至能产生“鬼压床”。

“鬼压床”在睡眠神经医学上是属于一种睡眠瘫痪症的症状，患者在睡眠当时，呈现半醒半睡的情境，脑波是清醒的波幅，有些人还会合并有影像的幻觉，但是身体不能动。

睡眠瘫痪症则是因在快速动眼期中不知是什么原因，意识已清醒过来，但是肢体的肌肉仍停留在低张力状态，而造成不听意识指挥的情形。常会因身体出现不正常状况而大脑无法解释，加上恐惧的幻想，造成幻觉现象。

人脑只有清醒、非REG睡眠和REM睡眠三种工作状态，没有“关机”状态。因此就没有从关机状态进入工作状态的这个过程，因此人脑没有重启功能。

在实际的生活中，人脑确实没有出现重启的情形。但是接下来我们一起探索人脑是否具备重启的条件。

2.重启必要条件

我们先了解一下计算机的重启过程，看看重启过程中发生了哪些事，重启需要哪些必要条件。然后对比一下人脑是否具备这些必要条件。

以ARM处理器的计算机为例，假设计算机此时处于关机状态，此时处理器，内存，硬盘以及其他外设（显示器，键盘）均处在断电状态（未工作）。随后给计算机供电，处理器，内存，硬盘以及其他外设获得电源，处理器开始工作，初始化内存，硬盘以及其他外设，然后开始执行各种应用程序。

不难发现计算机上电后处理器开始工作，处理器控制各种模块完成初始化，随后执行各种程序。这些动作都是由计算机中的系统软件来完成的，这个系统软件叫做操作系统。
计算机硬件就相当于我们的大脑，操作系统相当于我们的意识。计算机的重要工作是运行操作系统，计算器重启时操作系统也将重新启动。接下来我们以linux操作系统为例介绍操作系统启动的过程。

Linux启动是一个非常复杂的过程，分为以下几个阶段：

启动过程可以类比成青蛙的成长过程,特点如下：

1、从小变大。
2、从简单到复杂。

ROM BOOT
计算机可以直接执行片内执行（XIP）存储器中的指令，XIP存储器有以下3类：

计算器上电后运行的代码称为启动代码，存放启动代码的存储器必须满足两个条件：
1、非易失性存储器（NVM），掉电后依然能保存代码和数据。
2、符合XIP接口，计算机启动后可以直接运行保存在其中的代码。
目前启动代码通常放到ROM或者NOR FLASH中，因为这两种存储介质掉电后依然可以保存数据，并且计算机可以直接执行这两种存储介质中的指令。

ROM BOOT又称为ROM CODE,是由处理器厂家固化到芯片内部ROM中的一段代码。其功能是对处理器进行初始化，识别加载boot loader到片内RAM,最后跳转执行boot loader。

上电后有效工作部分到执行ROM CODE后有效工作部分，变化如下：

ROM BOOT（ROM CODE）三个重要特点：

1、上电后程序从非易失性存储器（NVM）On-Chip ROM开始执行。
2、ROM BOOT为芯片厂家固化在处理器内部的代码，用户无法修改。
3、ROM BOOT的核心工作就是完成处理器初始化工作，识别u-boot，并从非易失性存储器（NVM）终读取u-boot加载到RAM中，最后跳转执行u-boot。

U-BOOT

u-boot被加载到内存中后开始执行，u-boot主要工作如下：

1、完成外部设备初始化。
2、并从非易失性存储器（NVM）中读取内核Image并加载到内存。
3、最后通过命令跳转并执行内核。

执行u-boot后电路系统有效工作部分如下：

linux内核启动
u-boot完成加载内核后通过会打印以下类似信息：

   Booting kernel from Legacy Image at 20000000 ...
   Image Name:   Linux-3.0.8-FriendlyARM
   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)
   Data Size:    4801116 Bytes = 4.6 MiB
   Load Address: 20008000
   Entry Point:  20008000
   Verifying Checksum ... OK
   Loading Kernel Image ... OK

Starting kernel ...

此时内核还不能直接运行，需要完成解压，完成解压后会输出以下信息：

Uncompressing Linux...done, booting the kernel

Linux内核完成解压之后就开始运行，计算机的灵魂终于开始工作了！

linux内核首先完成初始化工作，并执行rest_init函数完成各种初始化操作和创建进程。最后linux内核执行一个简单的shell脚本来启动必需的应用程序。

重启必要条件

根据Linux启动过程我们知道，计算机从关机状态到工作状态（重启）这个过程有重要的“三体”：

1、运行载体，软件可以运行硬件基础。计算器软件的运行载体是处理器等硬件设备。
2、存储载体，可以永久保存数据的存储器。计算器的存储载体是非易失性存储器（NVM）。
3、程序体，保存在存储器中的程序。计算器的程序体就是操作系统和应用程序。

我们根据计算机重启过程的重要“三体”，对比观察人脑是否具备这“三体”。
1、运行载体，人类的意识运行载体就是人脑，也是我们自主意识的实际承载体。
2、存储载体，人脑是否有非易失性存储器？
3、程序体，人类的自主意识是否保存在非易失性存储器中？

终于找到关键点：
探讨人脑是否有非易失性存储器，人类的自主意识是否保存在非易失性存储器。

3.人脑是否有非易失存储空间

人类获取外界信息，并通过记忆的方式将信息保存到人脑内部，因此要搞清楚人脑的数据存储，我们就需要搞清楚人脑的记忆。
那么人脑记忆是什么？记忆是保存在人脑的什么位置？人脑中是否有永久保存数据的易失性存储空间？
我们将带着这些问题一步一步进行研究。

记忆是什么？

人类学习是获得新信息和知识的过程，记忆是对所学信息的保存过程。记忆分为以下两类：
1、陈述性记忆，对事实和事件的记忆。例如“昨天我打了一次魔兽争霸游戏”。
2、非陈述性记忆，除了陈述性记忆剩下的就是非陈述性记忆，其中最重要的是程序性记忆，即对技巧，习惯和行为的记忆。例如我们学弹钢琴，骑自行车，系鞋带等。

根据记忆的存留时间，我们可以将记忆分为长时程记忆和短时程记忆。

长时程记忆指的是几天，几月或者几年前存储的信息仍能再现的记忆。
短时程记忆指的是持续几秒到几小时的记忆，这种记忆容易被破坏。

短时程记忆的内容可以通过一个记忆巩固的过程而转换成长时程记忆。然而记忆巩固的过程并不需要短时程记忆作为中介，两种类型的记忆可能同时平行存在。

记忆存储在哪里

记忆的物质表现或者位置称为记忆痕迹（memory trace）,关于记忆痕迹有以下两个结论：
1、记忆痕迹广泛分布在人脑的细胞集合的细胞连接内。
2、记忆痕迹也可能包括参与感觉和知觉的神经元。

结论1说明：**记忆痕迹是散布于整个大脑皮层的，是一种分布式的存储方式。**人类的记忆功能不局限于人脑的某个单一部位，人脑并没有小部分特殊的“记忆细胞”专门存储我们的记忆。

结论2说明：记忆痕迹来自于一种感觉信息，那么它很可能位于于该感觉相关的皮层。例如，若记忆痕迹只依赖于视觉信息，则它可能存储于视觉皮层。

记忆何如产生

内测颞叶和记忆过程

在内测颞叶有一组相互联系的结构，它在巩固陈述性记忆中起重要作用。它的主要结构是海马、附近的皮层及这些结构和大脑其他部分相连接的通路。
海马是侧脑室侧折叠的结构，海马腹侧是3个重要的围绕着嗅沟的皮层区：内嗅皮层，嗅周皮层，旁海马皮层。

内测颞叶接受来自大脑皮层联络区的输入信息，它含有来自所有感觉模态的精加工的信息。嗅沟内及周围皮层和海马一起对来自联络皮层的信息进行重要的转化，将记忆引入皮层加以巩固。这些记忆可能先暂时存储在内测颞叶的皮层，最后在转入新皮层以便永久存储。

间脑和记忆过程
除内测颞叶外，另一个和记忆最相的部位为间脑。内测颞叶的损伤能引起严重的遗忘，间脑出现损伤也能破坏记忆。
间脑中和识别记忆过程相关的3个区域为：丘脑的前核、背内侧核以及下丘脑的乳头体。海马结构的主要输出时一束轴突组成的穹隆，这些轴突大部分投射到乳头体，乳头体内的神经元投射到丘脑的前核。从海马刀下丘脑、到前核、再到扣带皮层形成以个环路。

记忆的本质

LTD机制

爬行纤维和平行纤维经配对处理后，单独激活平行纤维浦肯野细胞突触后电流显著减少，这种类型的修饰可以持续至少1小时，这被称为长时程压抑（LTD）。

LTD的一个重要特性就是它仅出现于那些伴有爬行纤维同时被激活的平行纤维突触上。这种仅由主动的输入才表现突触可塑性的特性称为输入特异性。
LTD是由于突触后对平行纤维释放了谷氨酸的反应减弱所致，这个突触中介兴奋传递的谷氨酸受体为AMPA受体。

迄今为止的证据表明，只有当3个细胞内的信号同时出现才会引起LTD：

1、爬行纤维激活所致的Ca离子升高
2、AMPA受体激活Na离子升高
3、促代谢型受体激活所致的蛋白激酶C活化。

LTD机制有以下作用：
1、突触传递的修饰可以产生学习和记忆
2、升级活动转换为细胞内的第二信使使可触发突触修饰
3、现存突触蛋白的变化可以产生记忆

LTP机制
海马的兴奋性通道的短暂高频电流刺激，可长时程地增加突触效应强度，这种效应就是长时程增强（LTP）。

LTP诱发需要以下两个条件：
1、有足够高的频率刺激突触，获得EPSPs的时间总和
2、必须同时激活足够多的突触，以产生显著的空间总和。

谷氨酸结合于突触后膜，并且产生去极化至取代阻塞离子通道的Mg离子时，它们才介导Ca离子流。LTP形成路径如下图：

LTP机制有以下作用：
1、LTP的出现会导致突触结构发生变化。这些变化中特别的是突触后树突棘会出芽，并形成新的与轴突连接的突触。
2、突触的变化，其中一些突触的效能增强，也有一些突触的效能减弱，这些突触变化的特殊模式编码了记忆。

记忆形成的基础

记忆的产生都是突触膜蛋白上的磷酸基团数目发生变化，从而引起突触传递的变化。蛋白磷酸化可以改变突触效能，从而形成记忆。磷酸化作用形成的记忆存在以下问题：

1、蛋白磷酸化不是永久的。时间久了，会产生脱磷酸化，记忆便消除了。
2、蛋白质分子本身也不能永存。脑内的大多数蛋白质寿命小于2周，然后不断更新。因此依赖蛋白质分子产生的意见是不能长久存在的。

学习和记忆发生在突触处，脑内电活动的改变，产生突触蛋白的修饰，这些暂时的变化通过改变突触结构转变为永久变化，最终形成长时程记忆。

综上所述：人脑通过改变突触结构生成永久记忆，因此人脑具备非易失性存储器。

人脑的这种突触结构的改变，非常类似计算机中一种特出的处理器FPGA。

FPGA（Field Programmable Gate Array）FPGA 器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵。
现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA内部单元允许无限次的编程。

4.人脑重启

综上所述人脑具备完成重启的重要“三体”
1、运行载体，意识运行载体为人脑。
2、存储载体，改变的突触结构可以永久保存记忆。
3、程序体，记忆可以永久保存在变化的突触结构中。

因此人脑可以重启，我们可以用某种“冷冻”技术让人体所有细胞停止活动，人脑内的神经细胞也活动，此时人脑处于“关机”状态。后面我们再用某种“解冻”技术让人体的所有细胞恢复活动，人脑也被唤醒，实现重启。
在未来的某一天我们终将实现《三体》中的“冬眠”技术，让人类可以暂停自己的时间，征服宇宙！

5.参考资料

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)
4、《计算机与人脑》—— 冯·诺意曼

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作者：李巍
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