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脑的进化集智俱乐部AI小组
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目 录
• 一、进化简史– 简要介绍生物进化的历史
• 二、神经系统和脑的进化– 介绍从简单的多细胞生物到哺乳动物的神经系统和脑的功能性演变过程
• 三、大脑和人的活动– 介绍人脑的发展对于人类活动以及其对于爱情、性、睡眠、梦、语言等方面的影响
• 四、进化和设计– 讨论神经系统和脑的进化与人工机器设计的异同性
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地质年代变化
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生物进化史
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目 录
• 一、进化简史– 简要介绍生物进化的历史
• 二、神经系统和脑的进化– 介绍从简单的多细胞生物到哺乳动物的神经系统和脑的功能性演变过程
• 三、大脑和人的活动– 介绍人脑的发展对于人类活动以及其对于爱情、性、睡眠、梦、语言等方面的影响
• 四、进化和设计– 讨论神经系统和脑的进化与人工机器设计的异同性
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应激性• 应激性是指一切生物对外界各种刺激(如光、温度、声音、食物、化学物质、机械运动、地心引力等)所发生的反应。应激性是一种动态反应，在比较短的时间内完成。应激性的结果是使生物适应环境，可见它是生物适应性的一种表现形式。
• (无神经系统)
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反射弧的进化
• 反射是指多细胞高等动物通过神经系统对各种刺激发生的反应。由此可以说明，反射是应激性的一种表现形式，隶属于应激性的范畴。反射是通过反射弧结构来完成的。
• 反射是无意识行为，更高级的反应形式是有意识形为。
感受器 传入神经纤维
神经中枢 效应器传出神经纤维
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反射弧
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动物神经系统进化
• 网状神经系统– 腔肠动物-水螅
• 两侧对称神经系统– 扁形动物-涡虫– 环节动物-蚯蚓– 节肢动物-昆虫
• 脊椎动物神经系统– 鱼– 两栖动物– 爬行动物– 哺乳动物
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水螅
• 水螅，多细胞无脊椎动物，多见于海中，少数种类产于淡水。
• 身体呈指状（圆筒型），长约1厘米。附着在物体上的一端称为基盘。另一端有口，口的周围有6-10条细长的触手，满布刺细胞，用以捕获食饵。身体可伸长达三四倍。基盘可以在附着物上滑定，以翻跟斗式或尺蠖式(行动时一屈一伸像个拱桥)的方式来行动。常附着于池沼水草枝叶和石块上。
• 水螅的身体是辐射对称的。就是说通过水螅身体由口到基盘中轴，可有许多个切面把水螅的身体分为两个相等的部分。辐射对称是比较原始而低级的体型，这是腔肠动物对水中固着或漂浮生活的一种适应。
•
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网状神经系统
• 网状神经系统– 扩展性神经系统– 无导向性
• 牵一发而动全身
– 传导速度慢• 比人体神经速度慢1000倍
– 大多数是电突触连接– 视刺激的强弱而强度扩散– 神经刺激可以累积
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涡虫
• 涡虫生活在溪流浅水处，多隐于石块下面，昼伏夜出。体呈树叶形，背腹扁平，腹面密生纤毛，可爬行。全体淡褐色，长10余毫米。头呈三角形，背侧有1对黑色眼点，两侧各有一耳突，为嗅觉器官。涡虫以蠕虫、甲壳类、昆虫等为食，咽吸住食物后，肠即分泌消化液，使之溶为液状物，再吸入肠内，进行消化。不能消化的食物残渣，仍由口排出。
• 涡虫再生力极强，横切为2段或多段，每段均可再生成一完整的涡虫。
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涡虫神经系统
• 从分散向集中发展– 向功用性强区域集中
• 还没有主导系统• 开始形成神经索
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蚯蚓神经系统• 蚯蚓为典型的索式神经，有中枢神经系统和外周神经系统，有简单学习功能。• 中枢神经系统由位于第3体节背侧的一对咽上神经节（脑）及位于第3和第4体节间腹侧的咽下神经节，二者以围咽神经相连。自咽下神经节伸向体后的一条腹神经索，于每节内有一神经节
• 外围神经系统有由咽上神经节前侧发出的8一10对神经，分布到口前叶、口腔等处；
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节肢动物
• 节肢动物，也称“节足动物”。动物界中种类最多的一门。身体左右对称，由多数结构与功能各不相同的体节构成，一般可分头(控制)、胸(运动)、腹(营养和生殖)三部。作为成功登陆的两侧对称的无脊椎动物，进化出来的各类功能能够很好的适应地面生活。
• 高效的呼吸器官――气管• 外骨骼，需蜕皮• 分节的附肢；• 感觉器官灵敏• 神经系统发达；
• 有血腔
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昆虫神经系统
• 神经系统更加集中，头部最前面的三个神经节合为前脑，中脑，后脑。
• 感觉器官更复杂，有触觉，化感器，视觉器(复眼)，
• 前脑是视觉处理中心，中脑支配触角,后脑与食管下神经节相连，有抑制和兴奋功能。
• 昆虫具有大量的先天行为。如蚂蚁，蜜蜂，蜘蛛等等。
• 具有后天的协调和学习功能，如果蝇，包括昆虫断了一条腿后的运动协调。
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鱼纲
• 鱼类属于脊索动物门中的脊椎动物亚门。全球鱼类占已命名脊椎动物一半以上，目前全球已命名的鱼种应在26000种以上。
• 鱼类出现于古生代的志留纪，到泥盆纪已演化出四大类：棘鱼类、盾皮鱼类、软骨鱼类和硬骨鱼类。– 1.出现上下颌。这是脊椎动物进化史上重要转折点，颌增加了获得食物的机会，提高生命活动能力，增强动物适应性。
– 2.有成对附肢--偶鳍。大大加强活动能力，成为陆生脊椎动物四肢出现的条件
– 3.完整的内骨骼系统。脊柱彻底取代脊索。– 4.脑明显分为五部分，双鼻孔– 5.腮呼吸– 6.有调节体内渗透压的良好机制– 7 血液循环为单循环– 8.以鳔和脂肪调节水的浮力
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鱼的神经系统
• 脊椎动物神经系统高度集中，腹部神经节变为脑和脊髓，• 有内分泌系统，感觉器官更多：皮肤、侧线感、听觉、视觉、嗅觉，味觉
• 神经系统三部分组成：中枢，外围，自主• 中枢：• 脑部分为：大脑、间脑、中脑、小脑、延脑
– 10对脑神经有专门的司职：嗅神经、视神经– 动眼神经、面神经、听神经等。
• 脊髓具有明显的分节现象• 自主神经系统专门支配和调节 内脏、心肌、腺体• 交感神经起兴奋和抑制功能• 洄游：遗传记忆
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两栖动物
• 是一类原始的、初登陆的、具五趾型的变温四足动物，皮肤裸露，分泌腺众多，混合型血液循环。其个体发育周期有一个变态过程，即以鳃（新生器官）呼吸生活于水中的幼体，在短期内完成变态,成为以肺呼吸能营陆地生活的成体。
• 蚓螈目（无足目） 有尾目 无尾目• 水生动物与陆生动物的过渡形态• 神经系统与鱼类基本相似：
– 大脑半球有分化迹象，小脑不发达– 由于四肢出现，肩及腰部的脊神经集聚成神经丛– 交感神经和副交感神经比鱼类发达– 灰质和突触增多，开始外移，原皮质– 视觉感官进化，有专门保护眼球的眼睑。– 可感觉高频声波，通过鼓膜振动传到内耳– 开始有空气的嗅觉器官– 侧线器官退化
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爬行动物
• 爬行动物是第一批真正摆脱对水的依赖而真正征服陆地的变温脊椎动物，可以适应各种不同的陆地生活环境。爬行动物是统治陆地时间最长的动物。
• 大脑半球显著，主要是纹状体加厚• 开始出现初步新皮层• 有12对脑神经• 有红外感受器
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哺乳动物
• 哺乳类动物（Mammal）哺乳类是一种恒温、脊椎动物，身体有毛发，大部分都是胎生，并藉由乳腺哺育后代。哺乳动物是动物发展史上最高级的阶段。
• 智力和感觉能力的进一步发展；保持恒温；繁殖效率的提高；获得食物及处理食物的能力的增强；体表有毛、胎生，一般分头、颈、躯干、四肢和尾五个部分
• 脑容量的增大和新脑皮的出现，视觉和嗅觉的高度发展，听觉比其他脊椎动物有更大的特化；高度发达的神经系统和感官，能协调复杂的机能活动和适应多变的环境条件。
• 脑表面形成了复杂皱褶（沟和回），大大增加了新脑皮的表面积。
• 哺乳动物的内分泌系统极为发达。由散在身体各处的内分泌腺体组成，包括脑垂体、甲状腺、副甲状腺、肾上腺、胰岛腺、胸腺和性腺等。
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哺乳动物神经系统
• 大脑和小脑体积增大• 大脑皮层由新皮层构成，加厚• 和表面出现沟回• 原皮层退缩为海马• 纹状体退化，出现胼胝体• 中脑退化• 间脑大部分为大脑覆盖，控制内分泌系统• 丘脑为低级中枢与大脑皮层的中间站，– 感觉信号汇集后传入大脑– 为交感神经中枢
• 小脑发达• 自主神经系统发达
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脊椎动物脑的进化
• 嗅叶退化 大脑增大 皮层增大，变厚 功能转移
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1) 中枢神经系统
• a) 脊髓
• b) 脑
2) 周围神经系统
• a) 脑神经
• b) 脊神经
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人体神经系统组成
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人体神经系统组成
3) 自主神经系统
• a) 交感神经系统
• b) 副交感神经系统
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• 一、进化简史– 简要介绍生物进化的历史
• 二、神经系统和脑的进化– 介绍从简单的多细胞生物到哺乳动物的神经系统和脑的功能性演变过程
• 三、大脑和人的活动– 介绍人脑的发展对于人类活动以及其对于爱情、性、睡眠、梦、语言等方面的影响
• 四、进化和设计– 讨论神经系统和脑的进化与人工机器设计的异同性
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人脑的相关进化
• Stephan定义的尺寸对比指数• 人大脑的进化发育中，新新皮层的进化最快，相反，嗅球在退化，小脑、间脑、纹状体进化也很快。
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神经系统发育过程
神经元前体细胞分裂
迁移到相关位置
神经元类型特异化
神经元的联结
出生以后的学习和变化
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爱情和性
• 隐蔽的排卵期– 一夫一妻家庭制度– 养育后代的能力– 女性角色认同– 脑神经系统的发育
• 娱乐性性行为– 动物的交配性性行为
• 同性恋– 基因还是激素，部分由生物学决定
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睡眠与梦
• 可以多长时间不睡觉？– 情绪不稳定 易怒 妄想- 幻视 幻听– 完全剥夺会导致死亡
• 睡眠的作用是什么？– 保存能量？– 限制活动？– 睡眠的生物钟
• 褪黑激素的分泌
• 睡眠的作用是什么？– REM睡眠
• 胆碱能突触活动增强• 杏仁核的激活
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• 39区和40区的神经元是大脑皮层表面所有脑区里面最晚髓鞘化的，其部分神经细胞的成熟化要到童年晚期以后才完成
• 39和40区的发展速度很快，以强有力的进化“压力”将视觉脑区推向脑后部
• 幼儿左半脑的语言脑区受损以后，其右半脑的语言功能会得以发育而取代，随着年龄的增长，替代能力不存在
• 语言脑区的进化在现代人种进化差异之前，儿童可以学会任何语言
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• 一、进化简史– 简要介绍生物进化的历史
• 二、神经系统和脑的进化– 介绍从简单的多细胞生物到哺乳动物的神经系统和脑的功能性演变过程
• 三、大脑和人的活动– 介绍人脑的发展对于人类活动以及其对于爱情、性、睡眠、梦、语言等方面的影响
• 四、进化和设计– 讨论神经系统和脑的进化与人工机器设计的异同性
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• 神经进化的历程– 系统本身– 感受器和效应器– 目的性
• 机器小车– 设计结构– 目的性– 感受器和效应器
• 异同点
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神经系统进化
网状
•无定向性
•电突触
神经索
•中枢和外围
•感受器进化
脑
•脑的分化
•更复杂感受器
•学习和记忆功能加强
皮层
•皮层功能的指向化和替换性
•神经系统的发展有学习的参与
•有意识行为
应激性
•即时性
•局部性
•简单的细胞级物理化学反应
反射弧
•局部向系统转化
•更复杂的感觉器和效应器
•协调中控系统
调节系统
•电反应到化学反应
•即时性到时续性
•记忆和存储
•决策行为
意识
•语言和学习
•文明和文化
•历史和未来
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复杂人体反应系统
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感受器和效应器进化
• 感觉器接受刺激的过程是换能的过程，特异性是只接受某种类型的能量。
• 物理感受器– 触压感受 本体感受 热感受 平衡与听觉 视觉和光
• 化学感受器– 味觉，嗅觉– 效应器– 肌肉与肌肉收缩– 色素反应
• 动物和植物的变色
– 发光
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小车的系统
AVR芯片系统
光感探头
动力转换
电机系统 车轮行进
电源系统
感受器
效应器神经系统
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传感器概述自然客观参数
敏感元件
模拟信号
数字信号
处理器
• 从自然客观参数到处理器能够运算的信息，需要进行若干步的处理。
• 每一步处理都会对上一级的数据有所修正。
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问题
• 进化在于神经系统的进化– 其它辅助系统是跟随进化– 电传导到化学传导的改变– 信息处理的层次性增加– 单一类型细胞向复杂系统的转变
• 进化的目的性？
• 应激性 适应性• 遗传性 VS�变异性
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未来的人工机器之路？
• 多层次性– 是已经在不断演化的– 神经系统的复杂与传感器的复杂性？– 云计算与分布式计算？
• 环境的参与？– 互联网与物联网？
• 全球脑？
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参考书目• 生物遗传进化学http://book.douban.com/subject/1588591/• 普通生物学 http://book.douban.com/subject/1428117/• 普通动物学 http://book.douban.com/subject/3992999/• 神经科学——探索脑• 进化的大脑 http://book.douban.com/subject/4032570/• 脑的进化 http://book.douban.com/subject/2124112/• 大脑如何思维 http://book.douban.com/subject/2329404/• 人脑之谜 http://book.douban.com/subject/3121206/• 谁是造物主 http://book.douban.com/subject/3121201/
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感谢大家!