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要了解大脑如何创造智能，我们首先需要了解一些基本知识。
在达尔文就进化论发表论文之后不久，生物学家意识到，人类的大脑本身已经随着时间的推移进化了，其进化史一目了然。与经常随着新物种的出现而消亡的物种不同，大脑的进化是在旧的部分上增加新的部分。例如，一些最古老和最简单的神经系统是沿着小蠕虫的背部运行的一组神经元。这些神经元是脊髓的前身，它们使蠕虫能够简单地运动，同样也负责人体的许多基本运动。接下来出现的是位于蠕虫身体一端的一组神经元，它们控制着消化和呼吸等功能。这组神经元是脑干的前身，它们同样控制着人类的消化和呼吸功能。脑干扩展了已经存在的部分，但并没有取而代之。随着时间的推移，大脑通过在旧部分的基础上进化出新的部分，逐渐具备了操纵越来越复杂的行为的能力。这种通过增加新的部分来实现增长的方法适用于大多数复杂动物的大脑。这就很容易看出旧脑部分为何依然存在了。
无论我们多么机智和精明，呼吸、饮食、性和反射反应仍然对我们的生存至关重要。
人类大脑最新的部分是新皮质，意思是“新的外层”。所有哺乳动物都有新皮质，而且只有哺乳动物才有新皮质。人脑的新皮质特别大，约占大脑体积的70%。如果你能把新皮质从你的大脑中揭下并铺平，那么它约有一张桌布那么大，厚度则约是桌布的两倍（约2.5毫米）。它包裹着旧脑部分，所以当你看一个人的大脑时，你看到的大部分是新皮质（有其特有的褶皱），只有小部分是旧脑，脊髓则从底部延伸出来（见图1-1）。
图1-1 人类大脑
新皮质是智能的器官。几乎所有我们认为是智能的能力，如视觉、语言、音乐、数学、科学和工程，都是由新皮质创造的。当我们思考问题时，主要是新皮质在思考。你的新皮质正在阅读这本书，而我的新皮质正在写这本书。如果我们想了解智能，那么就必须了解新皮质做了什么以及是如何做的。
非哺乳动物不需要新皮质去应对复杂的生活。鳄鱼的大脑与人类大脑相当，但没有足够复杂的新皮质。鳄鱼也会表现出复杂的行为，如照顾它的孩子，并且知道如何巡视其周围环境。大多数人都会说鳄鱼具有某种程度的智能，但与人类所具有的智能仍相去甚远。
新皮质和旧脑通过神经纤维相连，因此，我们不能把它们看作完全孤立的器官。它们更像是室友，各自有不同的日程安排，个性也有差异，但需要合作才能完成所有事情。新皮质处于一个绝对不平等的地位，因为它不直接控制行为。与大脑的其他部分不同，新皮质中没有一个细胞直接与肌肉相连，所以它自身不能使任何肌肉动起来。当新皮质想做什么时，它会向旧脑发出一个信号，在某种意义上要求旧脑听从它的命令。例如，呼吸是脑干控制的功能，不需要大脑思考或来自新皮质的信息输入。新皮质可以暂时控制呼吸，比如当你有意识地决定屏住呼吸时，如果脑干检测到你的身体需要更多的氧气，它就会忽略新皮质的命令，重新控制身体。同样，新皮质可能会认为：“不要吃这块蛋糕，这不健康。”但如果大脑中较老、较原始的部分说：“这块蛋糕看起来不错，闻起来也很香，吃吧。”你就很难抗拒蛋糕的诱惑。这种新旧大脑之间的争斗是本书的一个基本主题。当我们讨论人类面临的生存风险时，对这个主题的探究就至关重要。
旧脑包含几十个独立的器官，每个器官都有特定的功能。从视觉上看，它们是彼此分离的，它们的形状、大小和连接反映了它们所发挥的作用，例如，杏仁核中有数个豌豆大小的器官。杏仁核是大脑中一个较老的部分，负责不同类型的攻击行为，如有预谋的攻击和冲动性攻击。
新皮质却完全不同。虽然它约占据了大脑体积的70%，并负责无数的认知功能，但它看上去并没有明显的分界线。褶皱和皮褶是为了使新皮质嵌入头骨，与你看到的将桌布纸塞入大酒杯的情况类似。如果你忽略这些褶皱和皮褶，那么新皮质看起来就像一大片细胞，并没有明显的分界线。
尽管如此，新皮质仍被划分为几十个区域，这些区域被称作脑区，每个脑区执行不同的功能，有些负责视觉，有些负责听觉，有些负责触觉，还有一些负责语言和计划等。当新皮质受损时，出现的缺陷取决于受损的是新皮质的哪个部位。例如，后脑勺的损伤会导致失明，而左侧大脑的损伤可能会导致丧失语言能力。
新皮质的各个区域通过神经纤维束相互连接，这些神经纤维在新皮质下延伸，新皮质下的部位即所谓的大脑白质。通过仔细追踪这些神经纤维，科学家可以确定这些区域的数量以及它们是如何连接的。研究人类的大脑很困难，所以人类通过这种方式分析的第一个复杂哺乳动物是猕猴。1991年，两位科学家丹尼尔·费勒曼（Daniel Felleman）和戴维·范·埃森（David Van Essen）将几十项独立研究的数据结合起来，绘制了著名的猕猴大脑新皮质图。图1-2是他们绘制的图片之一。人类的大脑新皮质图在细节上会有所不同，但在整体结构上与之相似。
图1-2 新皮质中的连接
这幅图中的几十个小矩形代表了新皮质的不同区域，线条代表了信息如何通过白质从一个区域流向另一个区域。
对这幅图的一个常见解释是，新皮质是有层次的，就像一张流程图。来自感官的输入从底部进入（在此图中，来自触觉的输入在左边，来自视觉的输入在右边）。输入会经过一系列步骤的处理，每个步骤都从输入中提取更多更复杂的特征。例如，从眼睛获得输入的第一个区域可能会检测到简单的图案，如线条或边缘。这一输入被传递到下一个区域，该区域可能会检测到更复杂的特征，如边角或形状。这个过程会一直持续到某一脑区检测到完整的物体。
有很多证据支持流程图这一解释。例如，当科学家观察层次结构底部区域的细胞时，他们发现这些细胞对简单的特征做出反应，而下一个区域的细胞则对更复杂的特征做出反应。而有时他们发现在更高级的区域的一些细胞会对完整的物体做出反应。然而，也有很多证据表明，新皮质并不像一个流程图。正如你在图中看到的，这些区域并不像流程图中的那样一个一个地排列起来。每个层次都有多个区域，而且大多数区域都与整个结构的多个层次相连。事实上，大部分区域之间的连接根本不适合这种分层方式。此外，每个区域中只有一些细胞表现得像特征检测器一样。科学家还不能确定每个区域中的大多数细胞在做什么。
这给我们留下了一个难题。作为智能的器官，新皮质被分成了几十个区域，这些区域做着不同的事情，但从表面上看又都一样。这些区域以一种复杂的方式连接在一起，有点儿像流程图，但大多不是。目前我们还不清楚为什么这个智能器官看起来是这样的。
接下来就是观察新皮质的内部，看看这2.5毫米厚的新皮质内部的详细回路。你可能会想，即使新皮质的不同区域表面上看起来一样，创造视觉、触觉和语言的详细神经回路从内部看起来或许是不同的吧。但事实并非如此。
第一个观察新皮质内部详细回路的人是西班牙神经学家拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）。19世纪末，人们发现了染色技术，能够用显微镜看到大脑中的单个神经元。卡哈尔利用这些染色技术为大脑的各个部分绘制图片。他绘制了数以千计的图片，第一次在细胞层面上显示了大脑的样子。卡哈尔绘制的所有美丽而复杂的大脑图片都是手绘的。他最终因此获得了诺贝尔奖。图1-3是卡哈尔绘制的两幅新皮质图，左图只显示神经元中的细胞主体，右图还显示了细胞之间的连接。这些图片显示了2.5毫米厚的新皮质中的一片。
图1-3 新皮质中的神经元
用于绘制这些图片的染色剂只给一小部分细胞着色。这是件好事，因为如果每个细胞都被染上了色，那么我们看到的将是一片黑色。请记住，神经元的实际数量要比你在图片中看到的多得多。
卡哈尔等人得到的第一个发现是，新皮质中的神经元似乎是分层排列的。这些层与新皮质的表层平行（图中是水平的），这是由神经元的大小和密集程度的差异造成的。想象一下，你有一个玻璃管，向其中倒入一些豌豆、扁豆和大豆。从侧面看这个管子，你会看到3层。你可以从上面的图片中看到层次。有多少层取决于谁在进行计数，以及他们用来区分层次的标准。卡哈尔看到了6层。一个简单的解释是，每一层神经元都在做着不同的事情。
现在我们知道，在新皮质中有几十种不同类型的神经元，而不是6种，但科学家仍然使用6层结构的理论。例如，一种类型的细胞可能出现在第3层，另一种则出现在第5层。第1层位于新皮质的最外层，最靠近头骨，位于卡哈尔所绘制图片的顶部。第6层最接近大脑的中心，离头骨最远。重要的是要记住，这些层只是粗略地说明在哪里可以找到特定类型的神经元。更重要的是神经元连接的是什么，以及它的工作方式。如果你根据神经元的连接性进行分类，会得到几十种类型。
从这些图片中得到的第二个发现是，神经元之间的连接大多是在各层之间垂直进行的。神经元拥有名为轴突和树突的树状附属物，这些附属物使神经元之间能够相互发送信息。卡哈尔发现，大多数轴突在层与层之间运行，垂直于新皮质的表层（图1-3中的上下两层）。有些层的神经元之间是长距离的水平连接，但大多数连接是垂直的。这意味着到达新皮质某个区域的信息在被送往其他区域之前，主要在各层之间上下移动。
自卡哈尔首次使大脑成像以来，数以百计的科学家研究了新皮质，从而尽可能多地探究其中的神经元和回路的细节。关于这一主题的科学论文有数千篇，远不是我能概括的。在此，我想重点阐述其中3个一般性的发现。
在1平方毫米的新皮质（体积约2.5立方毫米）中，大约有10万个神经元，5亿个神经元之间的连接（称为突触），以及几千米长的轴突和树突。想象一下，沿着一条路铺设几千米长的电线，然后把它压成2立方毫米，大约是一粒米的大小。每平方毫米下都有几十种不同类型的神经元。每种类型的神经元都与其他类型的神经元进行连接。科学家通常将新皮质区的作用描述为执行一种简单的功能，如检测特征。然而，检测特征只需要少量的神经元。在新皮质中随处可见的精确且极其复杂的神经回路告诉我们，每个区域都在做着比特征检测复杂得多的事情。
新皮质的复杂回路在视觉区、语言区和触觉区中看起来非常相似。甚至老鼠、猫和人类等不同物种的新皮质的复杂回路看起来都很相似。但也有不同之处，例如新皮质中的一些区域有更多的某些细胞，而另一些细胞则较少，还有一些区域有一种其他区域没有的额外的细胞类型。据推测，无论新皮质的这些区域在做什么，都会从这些差异中受益。但总的来说，与相似性相比，各区域之间的差异性相对较小。
长期以来，人们认为信息是通过感觉区进入新皮质，在不同区域的层次结构中上上下下，最后到达运动区。运动区的细胞投射到脊髓中的神经元，使肌肉和肢体产生运动。现在，我们知道这种观点具有误导性。科学家在他们所检查的每一个区域，都发现了投射到旧脑中与运动有关的某些部分的细胞。例如，从眼睛获得信息的视觉区将信号投射到旧脑中负责移动眼睛的部分。同样，从耳朵获得信息的听觉区也能将信号投射到旧脑中负责移动头部的部分。移动头部会改变你听到的东西，类似于移动眼睛会改变你看到的东西。
现有的证据表明，在新皮质中随处可见的复杂回路执行着感觉-运动任务。没有纯粹的运动区，也没有纯粹的感觉区。
总之，新皮质是智能的器官。它是一张桌布大小的神经组织，分为几十个区域。有些区域负责视觉、听觉、触觉和语言，还有一些不容易被标签化的区域，负责更高层面的思考和计划。这些区域通过神经纤维束相互连接。区域之间的连接有些是分层次的，这表明信息像流程图一样从一个区域有序地流向另一个区域。但其他一些连接似乎没有什么秩序，这表明信息一下子就流遍了所有区域。无论它执行什么功能，在细节上都与其他区域相似。
我们将在第2章中介绍第一个真正理解这些研究发现的人。
现在是一个很好的时机，我可以就本书的写作风格说几句。本书是为那些对智能充满好奇心的非专业读者而写的。我的目标是向你传达你需要知道的一切，帮助你了解这一新理论，但我不会深入阐述。我猜想大多数读者之前对神经科学的了解并不多。不过，如果你具有神经科学方面的知识背景，就会知道我在哪里省略了一些细节并简化了复杂的主题。如果你属于这种情况，我希望你能理解。本书结尾有一个带注释的阅读清单，我在那里说明了在哪里可以找到更详细的内容，以供有兴趣的读者参考。