鑽石舞台

大腦是如何處理信息的？

在這個星球上，人類在認知方面有着無與倫比的卓越性。畢竟除了人類之外，地球上還沒有別的物種能向其他星球發射探測器，製造挽救生命的疫苗，創作流芳百世的詩歌……

要使這一切成為可能，腦對信息的處理是關鍵所在。而一個讓許多科學家着迷，卻至今仍沒有明確答案的問題是：人類的大腦究竟是如何處理信息的？

多年來，我們對大腦功能的理解一直在變化。目前，理論神經科學和認知神經科學將大腦描述為一個「分布式」的信息處理系統，這意味着它將大腦視為是由不同組成部分構成的結構，其中不同的部分會通過大腦的接線緊密連接在一起。

不同的區域之間為了能夠彼此交互，會通過「輸入」和「輸出」信號系統來交換信息。然而，這種「輸入-輸出」的信息處理實則只是冰山一角，信息並非都是一樣的，可識別的從根本上就不同的信息種類就有好幾種，每一種都有其特定的優勢。因此，要正確地理解信息處理體系結構，就有必要先了解正在處理的信息是什麼類型。

最近，一項發表在《自然·神經科學》雜誌上的研究發現，人類大腦中存在的信息處理類型不止一種。他們還意識到，人類與其他靈長類動物處理信息的方式的不同之處，或許可以解釋人類的認知能力為何如此不同。

冗餘信息vs協同信息

正如前文所提到的那樣，有些大腦區域所採用的信息交換方式是「輸入-輸出」型，這種方式雖然「死板」，但卻可以確保信號以一種可複製的、可靠的方式傳播。那些專門負責感覺和運動功能（如處理聲音、視覺和運動信息）的區域就是如此。

以人類了解世界的主要信息源——雙眼——為例。我們的眼睛會將信號發送到腦的後部進行處理，每隻眼睛都會提供一些另一隻眼睛看不到的視野邊緣的信息，這是每隻眼睛的「獨有信息」。然而當我們閉上其中一隻眼睛時，仍有一些信息能夠被保留，這部分信息被稱為「冗餘」信息（或「共享」信息），它們由多個信息源共同提供。舉例來說，與顏色有關的信息在很大程度上就是冗餘的。

我們前面所提到的「輸入-輸出」信息處理方式就是「冗餘」的。冗餘為系統提供了穩健性和可靠性，它的存在使得我們可以在閉上一隻眼睛時仍能看見事物，因為大部分相同的信息可以從另一隻眼睛得到，這種能力對生存至關重要。

不過，並不是所有由眼睛提供的信息都是冗餘的，閉上一隻眼睛會剝奪我們獲取與深度有關的立體信息，這些信息不是簡單地僅來自其中某一隻眼睛，而是需要兩隻眼睛一起運作，通過結合來自兩隻眼睛的信息，大腦才能最終處理物體之間的深度和距離，從而感知第三維度。這被稱為兩個來源之間的「協同」信息（或「互補」信息）。這是一種完全不同的處理信息的方式，它將來自不同大腦網絡的複雜信號整合在一起，通過這種整合獲得額外的優勢。

信息類型的平衡

如此來看，不同的信息源除了能提供各自的獨有信息之外，也可以提供冗餘信息（可從任何一個信息源獲得的信息）或協同信息（只有通過結合兩個信息源才可獲得的信息）。

協同和冗餘是基本概念，適用於任何被編碼的特定內容。它們本質上是不同種類的信息編碼，而任何一個信息處理系統，包括人腦在內，都需要在這些不同種類的信息和它們所提供的特定優勢之間取得平衡。因此，了解人類大腦如何在這些不同類型的信息之間進行權衡，可以為了解其信息處理架構提供更加基本的洞見。

那麼，大腦在多大程度上依賴於對協同信息和冗餘信息進行處理？在不同的神經系統和認知領域中，這些不同類型的信息的參與又有多大程度的差異呢？

一直以來，傳統的人腦「功能連接」方法並不能充分地捕捉協同信息和冗餘信息，只能簡單地量化區域活動之間的相似性，也不能專注於捕捉信息從一個區域傳遞到另一個區域的方向。因此對於這些問題，科學家一直沒有清晰的答案。

在新的研究中，研究人員通過提供一個「信息解析」框架，分解了大腦信號內部的固有信息流，從而向神經科學中的這些基本問題發起了挑戰。通過結合功能和結構神經成像與整合分析結果，研究人員證明了冗餘交互主要與結構耦合、模塊化感覺運動處理相關；而協同交互則支持跨高階大腦網絡的整合過程和複雜認知。

具體說來，協同處理在支持廣泛的更複雜的認知功能（如注意力、學習、工作記憶、社會和數字認知等）的大腦區域中最為普遍，它不是固定的，可以隨着我們的經歷而改變，以不同的方式連接不同的網絡。這些協同作用發生的區域（主要在大腦皮層的前部和中部，即大腦外層）整合了來自整個大腦的不同信息來源。因此，與處理第一感覺和運動相關信息的區域相比，它們與大腦其他部分的連接更為廣泛、有效。

因為「協同」，所以不同？

那麼，我們在認知能力上的與眾不同是協同交互造就的嗎？

為了尋找答案，研究人員研究了不同物種的大腦成像數據和基因分析。他們發現，與非人靈長類動物相比，人類大腦利用協同信息的程度更高。比如他們發現協同作用在人類大腦中占總信息流的比例高於獼猴大腦，但這兩種物種的大腦對冗餘信息的依賴程度是相同的。此外，研究人員在觀察黑猩猩的大腦數據時發現，與黑猩猩相比，在人腦中，一個區域的大小在進化過程中擴大得更多，對協同作用的依賴程度也更甚。

不僅如此，他們還研究了人類捐贈者的基因分析，發現與處理協同信息相關的大腦區域更有可能表達人類特有的、與大腦發育和功能（如智能）相關的基因。

通過這些發現，研究人員得出結論認為，由進化導致的額外人類腦組織可能主要致力於協同作用。反過來，人們很容易推測，更大的協同優勢可能在一定程度上解釋了人類物種所具有的額外的認知能力。協同作用或許可以為人類大腦進化之謎增添一塊重要的、在此前一直缺失的額外的拼圖。

這項新的研究揭示了人類大腦如何在信息的可靠性和整合性之間進行權衡——這是兩個我們都需要的能力。重要的是，新發展的框架有望對廣泛的神經科學問題提供至關重要的新見解。