人脑如果是台计算机，那么电从哪里来？

1.人脑是一台量子计算机

2022年10月7日，爱尔兰都柏林三一学院的实验团队在《物理学通讯》杂志上发表了一篇名为《非经典脑功能的实验指标》的论文。研究人员在论文中写道：“我们的研究结果表明，我们可能已经目睹了由意识相关的大脑功能介导的纠缠。然后，这些大脑功能必须以非经典方式运作，这意味着意识是非经典的。”三一学院的实验团队认为，我们的大脑可以使用量子计算。

三一学院神经科学研究所（TCIN）的首席物理学家Christian Kerskens博士（该研究文章的共同作者）说道：“我们改编了一个想法，为证明量子引力的存在而开发的实验，即采取已知的量子系统，与一个未知系统相互作用。如果已知系统纠缠在一起，那么未知系统也必须是一个量子系统。它规避了为我们一无所知的东西寻找测量设备的困难。”

“如果纠缠是这里唯一可能的解释，那么这将意味着大脑过程必须与核自旋相互作用，调解核自旋之间的纠缠。因此，我们可以推断，这些大脑功能必须是量子化的。因为这些大脑功能也与短期记忆表现和意识意识相关，所以那些量子过程很可能是我们认知和意识大脑功能的一个重要部分。”
“量子大脑过程可以解释为什么我们在遇到不可预见的情况、决策或学习新事物时仍然可以胜过超级计算机。”

这篇论文表明，人类大脑实际上与量子计算机有很多共同之处，人类大脑可能是一台超级量子计算机！

2.人脑计算机电从何来

不管人类的大脑是量子计算机还是普通计算机，都存在以下问题：
人脑计这台算机，在工作的时候电从何而来？
如何产生电信号？

在回答这两个问题前，我们先来看看日常生活中常用的电子产品的电源情况。
1、台式设备，如台式电脑。这类设备往往体积较大，功耗较大，它们通常使用外部供电的方式，设备通过电源线连接外部电源如220V。外部供电使用方便，只需要提供一个外部接口，即插即用，适合大功率设备；缺点为外部断电后无法工作。

2、手持设备，如手机。这类设备往往体积较小，功耗较小，它们通常使用内部电池供电的方式，如使用锂电池。内部电池供电的最大优点是不受位置限制，可以随意移动设备位置；缺点为工作时间收到电池电量限制，需要定期充电。

人脑既没有外部供电的接口，也没有内部储能的电池，因此人脑不使用外部供电模式，也不是使用电池供电模式。那么人脑计算机的用从何而来？

3.原电池实验

相信大家都还记得中学化学里的原电池实验，下图是一个原电池实验的原理图。

左边电极是锌（负极），右边电极是铜（正极），电解液分别是CuSO4溶液和ZnSO4溶液。整个电路连通后，正负极材料发生反应，电子沿着外电路移动，最终形成电流。

原电池反应是放热反应，一般为氧化还原反应。还原剂在负极上失电子发生氧化反应，电子通过外电路输送到正极上，氧化剂在正极上得电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电子转移过程，产生电流。

人脑计算机运用了类似的原理产生电能。

4.人脑计算机电能来源

下图是神经元细胞和其工作环境，神经元细胞在富含钠离子的细胞外液中，神经元内部充满了富含钾离子的细胞液，神经元的细胞膜将细胞液和细胞外液隔离开。
细胞的内外液是富含各种离子的盐溶液，这些盐溶液构成了人脑神经系统的导电环境。

细胞内外液

神经元细胞的内外液的主要成分是水（H2O）,水分子有一个重要的特性：不均衡的电荷分布。这种特性使得水是一种良好的溶剂，也就是说其他带电的或极性分子易溶于水。
带净电荷的原子或分子称为离子，带正电的离子称为阳离子，带负电的离子称为阴离子。在神经系统中，离子作为电传导的主要电荷载体。
神经元细胞的内外液是富含离子的盐溶液。对于神经系统而言，重要的离子有：单价阳离子Na+和Ka+,二价阳离子Ca2+,单价阴离子Cl- 。

细胞膜

由于水是极性分子，电荷不均匀的物质可以溶于水，如离子和极性分子，这个物质称为亲水性物质。当分子内部电荷分布均匀时形成非极性共价键，这些物质不溶于水，称之为疏水性物质，我们熟知的油就不溶于水。另外脂质也是非溶于水的物质，它们是构成细胞膜的重要成分。
细胞膜的主要化学构件是磷脂，磷脂有一个亲水性的极性“头”和一个疏水性的非极性“尾”。神经元的细胞膜由两层磷脂构成，这种稳定的排列称为磷脂双层，它可以有效的把神经元细胞内液和细胞外液分隔开。

跨膜蛋白质

神经元细胞膜上分布着多种跨膜蛋白（横跨磷脂双层细胞膜的蛋白质），这些跨膜蛋白有不同的种类，不同的大小，不同的形状，它们有着不同的功能。动作电位和静息电位的产生依赖于这些跨膜蛋白，这些蛋白是离子跨膜转运的途径。
这些跨膜蛋白组成了两个重要的构件：离子通道和离子泵。离子通道重要作用是离子选择性，离子泵的重要作用是跨膜运转某些离子。

离子运动

神经元细胞内外液是富含离子的盐溶液，这些离子在神经元细胞内外运动产生电信号，在离子运动过程中有两种有效运动：扩散和输送。
当离子通道打开时离子会从浓度高的区域向浓度低的区域移动，这就是扩散运动，这个过程是自发的不需要消耗能量。
离子泵主动将离子转运到细胞内部，这就是输送，这个过程消耗能量。

神经元电位

神经元细胞内外液都是富含离子的盐溶液，细胞膜将细胞外液和细胞内液隔开，跨膜蛋白组成的离子泵可以将一价阳离子Na+运到神经元细胞外部，使得神经元细胞内液的Na+离子浓度低于细胞外液的Na+离子浓度，最终导致神经元细胞内部为负电位，我们将这个负电位称为静息膜电位。

当神经元细胞接受到信号后离子通道打开，由于细胞外液的Na+离子浓度高，外部的Na+离子通过离子通道扩散到细胞内部，使得细胞内的电位由负转变为正，从而生成一个动作电位。示意图如下：

离子在神经元细胞中的运动产生了静息膜电位和动作电位，在整个过程中离子泵和离子通道发挥了重要作用!

5.离子泵

神经元细胞膜上的离子泵的作用就是形成离子浓度梯度。在神经系统中有两种重要的离子泵：纳-钾泵和钙泵。
钠-钾泵是一种酶，在神经元细胞膜内钠离子存在的情况下可以降解三磷酸腺苷(ATP)，该反应释放化学能驱动钠-钾泵，使得神经元细胞膜内的Na+离子和Ka+离子交换。钠-钾泵的作用是确保Ka+离子富集于神经元内，Na+离子富集于神经元外。
钙泵也是一种酶，将神经元内Ca2+离子转运到外部，使得神经元内的Ca2+离子浓度将至非常低的水平。

离子泵的工作确保了离子浓度的建立和维持。离子泵使得神经元细胞内部富集阴离子，神经元外部富集阳离子，产生了静息膜电位。离子泵使得神经元的膜内外表面呈现不均匀的电荷分布，但是整个神经元细胞内液和外液是电中性的。

6.离子通道

离子通道是有跨膜蛋白质分子组成，一个典型的功能性跨膜通道需要4~6个相似的蛋白质分子聚合，并在其中央形成以个孔道，这个孔道就是水溶性物质进出神经元细胞的通道。

离子通道的一个重要特性就是离子选择性，一种离子通道几乎只让一种离子通过，而另一些离子则不容易通过该种通道。例如钠离子通道开放时，钠离子可通过，而其他离子则不能通过。

离子通道的一个重要特性就是门控，此性能可以控制通道的开放和关闭。因此离子通道存在两种状态：开放和关闭。多数情况下离子通道处于关闭状态，只在特定条件下离子通道才开放。通道由关闭状态转为开放的过程称为激活，由开放转为关闭状态的过程称为失活。

钠离子通道全称为电压门控钠通道，通道蛋白质在膜上形成一个对钠离子有高度选择性的孔道，电压门控纳通道有如下特征：
1、离子通道开放有短暂的延时
2、离子通道开放的时间约为1ms
3、离子通道开发后失活（关闭）
4、当膜电位恢复到阈值附近时，离子通道才能被激活，再次打开。

7.动作电位

神经元细胞中的离子泵和离子通道建立了人脑计算机的导电环境，接下来我们一起看看离子泵和离子通道这对“卧龙凤雏”是如何产生人脑计算机的工作信号：动作电位。
在静息情况下神经元的胞内电位相对胞外为负电位，动作电位就是这一电位状态的快速翻转，即在很短的时间内神经元胞内电位相对胞外为正电位，动作电位通常指代神经冲动。
可以将微电极插入神经元胞体或轴突，测量胞内电极和神经元胞外溶液中参考（接地）之间的电位差，两个电极连到一个信号放大器上，使用示波器来观测电位变化。

动作电位的实测波形如下：

动作电位可以分为以下两个部分：
1、上升相，其特征是神经元快速去极化，使得膜电位从负电位上升到月+40mV。
2、下降相，其特征是神经元快速恢复极化，使得膜电位从正电位下降到负电位。

在上升相中，膜电位超过0mV以上的部分称为超射，在下降相中膜电位低于静息电位的部分称为回射。

动作电位的产生

动作电位实际上是离子泵和离子通道共同协作的结果，那这对“卧龙凤雏”是如何做到的呢？

静息电位

神经元细胞没有受到刺激，此时钾离子通道和钠离子通道均关闭，离子泵转运Ka+离子和Na+离子，使得神经元细胞内部富集阴离子，神经元外部富集阳离子，神经元内为负电位。

上升相

神经元细胞受到刺激，此时钠离子通道开启，由于神经元胞外的钠离子浓度较高，因此大量钠离子流入神经元细胞内，使得神经元细胞内的电位上升。

下降相

此时神经元胞内电位为正，钠离子通道关闭，钾离子通道打开，由于细胞内钾离子浓度较高，因此大量钾离子流入神经元细胞外，使得神经元细胞内的电位下降。

恢复静息状态

此时神经元胞内电位为负，钠离子浓度偏高，钾离子浓度偏低，离子泵将Ka+离子转运到神经元内，将Na+离子富转运到神经元外，电位基本不变。

8.精妙的设计

描述上一节讲到了动作电位的产生，接下来我将在建立几个模型，通过对模型的分析，我们将不得不感叹神经元细胞设计的精妙。

8.1离子通道模型

按照一般的思维，只需要一种钠离子泵，负责将钠离子转运到神经元细胞外，然后只需要一种钠离子通道让将神经元细胞外的钠离子进入细胞内部，产生动作电位。

但是这种设计存在一个问题，假设神经元细胞处于静息状态，此时神经元受到刺激，离子通道开启后钠离子因为浓度差快速进入神经元细胞内，电位迅速上升，然后钠离子通道关闭，离子泵开始转运钠离子，但是由于离子泵转运速度比较慢，所以导致下降相非常慢，如下图所示t2远远大于t1,最终导致一个动作电位时间较长。这会造成神经元产生动作电位的最短时间变大，例如目前人脑的神经元每1ms都能生成一个动作电位，如果只有一个离子通道的神经元每10ms才能生成一个动作电位，这将导致人脑的反应速度降低90%！
因此神经元使用两种不同种类的离子和两种不同种类的离子通道是一个非常精妙设计！

8.2离子泵模型

现在的神经元细胞的离子泵可以同时转运钠离子和钾离子，这样会使得两种离子浓度等比例改变。

假设现在是两种离子泵，每种离子泵只负责转运一种离子，如果每个神经元上的两种离子泵的数量不能比例不一样那么，那么将导致静息电位不一致。由此可见现在的神经元细胞的离子泵可以同时转运钠离子和钾离子是一种非常精妙的设计！

9.总结

人脑内部并没有一个专门的器官或组织产生电能，而是神经元上的离子通道和离子泵通过完美的协作，维持导电环境和产生电信号。人脑实际上使用的是分布式供电模式，就是说人脑内部的每个神经元自己产生和维持导电环境。

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