要是人类的神经系统变快三倍,我就可以一日八餐了

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要是人类的神经系统变快三倍,我就可以一日八餐了

图片:《生活大爆炸》

假如人体的神经的传导速度变得更快,对人体会有什么影响??

Mon1st,一元论/相容论/系统神经学沙文主义者

把题目改成神经系统中任意过程的速率都变成了原来的 3 倍(原因见下文),那么后果有:

  • 说话变快了三倍。葛斯底堡演说 1 分钟就可以讲完
  • 条件反射快了三倍。IAAF 应该会更新抢跑的时间限制(现在是 0.1 秒),规定发令枪响后 0.03 秒内不得起跑。
  • 耗能大幅增加。这个绝对是好事,每天可以吃好多餐……
  • 内在节律会变成 8 小时。这个有点麻烦,要长期调时差了。很久以后也许会适应?不太清楚。短期内肯定很头痛。
  • 时间感知。我最好奇的是这个,不过太难了。与其说我们感知时间,不如说我们感知速度:一个生活中常见的例子是听录好的演讲。YouTube,很多 podcast 等,都提供 2 倍速度播放的功能。大部分演讲我是 2 倍速听的,这样就节省了一些时间。但是也有些演讲 2 倍速根本没法听懂,比如 Geoff Hinton。相反的,有些人 2 倍了还是觉得很慢(不点名)。我怀疑不同人的时间感知在此意义上本来就有差别。加速之后,以前录好的演讲不加速听恐怕会很痛苦。电影同理。
  • 坐飞机更让人厌烦了。想象从北京飞到广州要飞 10 个小时!
  • 一次尿尿的时间还是 21 秒 [8]。这个是力学属性,不会随神经系统改变。但是说话的速度可以加快,那么每次洗手间闲聊的内容就会变多,至少会说 3 倍多的句子。
  • 闪烁融合的阈值很可能会变三倍,去到~150 赫兹。这下就出事了。
    • 白炽灯的闪烁频率是 120 赫兹,肉眼可见
    • 屏幕刷新频率常见的 60 赫兹,肉眼可见
    • 老式的电影放映机闪烁频率是 96 赫兹,肉眼可见。还好现在绝大多数影院是用数码放映机应该没关系。
    • 平时作报告常用的 DLP 投影仪会非常令人困惑:因为原理是三种颜色的光轮流投射到幕布上,现在你可以单独看到每一种颜色的图像了……(常见的转速是 60 赫兹)
      • 注:这个现象平时也很容易看到:下次看投影时,当投影中有白色的部分,在附近做快速眼动(看着白色,然后快速扫视到另一个地方)。你就会看到三种颜色了。

下面探讨一下可能的神经机制

首先,动物身体中不同部位的神经传导速度不相同。决定每条神经速度的主要因素是纤维的粗细和是否有髓鞘。来源 [1] 中列出的已知的传导速度就跨越了两个半数量级:从 0.3m/s 到 130m/s 都有。这还没考虑温度的差异(比如冬天四肢会比较冷,传导速度相应降低),年龄(老年人的传导速度会有下降 [2]),健康状况(例如 MS)等等。

所以我们把题目改成:假如一个普通人体内各神经传导速度是 {a,b,c...} m/s,当他的每条神经传导速度同步提升到 3 倍,即 {3a,3b,3c,...}m/s 时会发生什么?

不妨先想一下可能的机制。有髓鞘的神经比较好说,因为传导速度大致与直径成正比,直接扩大三倍就好了。没有髓鞘的稍微有点麻烦:其传导速度与直径的关系不是很明确,例如 Hodgkin (1954) 就认为传导速度和直径的平方根成正比。这样的话取决于本来的直径大小,可能要扩大很多倍才能实现三倍的传导速度。

有髓鞘(虚线)和没有髓鞘(实线)的轴突传导速度与直径的关系。来源:[1]

还好,实际测量的无髓鞘纤维一般不会超过 0.3 um [4],恰好在近似于正比例的起始段。为了简化讨论,我们不妨假设由于无髓鞘纤维足够短,扩大三倍直径足以让传导速率扩大三倍。那么只要把所有的纤维都变粗三倍,就可以得到三倍的传导速率啦!

方案一:所有神经纤维直径突然扩大三倍。

首先要考虑的后果是整个神经系统体积会扩大。人脑中白质占总体积的比例约在 2/5 到 1/2 之间 [6],而白质绝大部分都是纤维。纤维直径扩大三倍意味着白质体积扩大九倍,也就是说整个脑体积扩大了四倍多。

传导超人一代颅压骤升,卒

(当然,我们可以扩大头颅体积,变成外星人,来适应这个变大了的大脑。)

我的话不太愿意突然头就大了那么多。而且体积扩大之后会带来一些意想不到的问题(比如,体积扩大并不是均匀的,而是主要发生在白质。大脑不仅变大了, 结构也会发生改变,不容易预测其功能上的结果)。在微观层面,单单提升传导速率而不提高神经元本身的反应速率,感觉不是很过瘾呢。

方案二:提高体温到 52 摄氏度。

另一种提高传导速率的显然方法是提高温度。每升高 10 摄氏度,实验测得的神经活动速率(包括纤维传导,突触的信号传导,和动作电位产生的速度)提升约 2 倍 [7]。那么为了提高到 3 倍,我们应该需要把体温升高 15 度,也就是发 52 度高烧

传导超人二号:……

其实二号我觉得可以抢救一下:我们假设因为他毕竟是超人,52 度下可以存活。

这样题目就又有了微妙的变化:神经系统中任意过程的速率都变成了原来的 3 倍。

[1] Axonal conduction delays

[2] Age-related changes in fastest and slowest conducting axons of thenar motor units.

[3] A note on conduction velocity.

[4] A proposed relationship between circumference and conduction velocity of unmyelinated axons from normal and regenerated cat hindlimb cutaneous nerves

[5] Marked loss of myelinated nerve fibers in the human brain with age

[6] VARIATION WITH AGE IN THE VOLUMES OF GREY AND WHITE MATTER IN THE CEREBRAL HEMISPHERES OF MAN: MEASUREMENTS WITH AN IMAGE ANALYSER

[7] http://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(16)30296-3

[8] Duration of urination does not change with body size

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