智能塑料机器
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科学一词来自拉丁语“scientia”，意思是“知识”。 科学实践是对现实真相的探索。 科学发现彻底改变了我们对周围世界现实的理解。
“... 在现今人们的经历中，至少存在三次严重的危机... 物理学中存在两次这样的危机 - 即与相对论发现相关的概念性灵魂探索，以及与量子理论发现相关的概念性困难... 第三次危机发生在数学领域。 这是一个非常严重的观念危机，涉及严谨性和进行正确数学证明的适当方法。 鉴于早期对数学绝对严谨性的观念，令人惊讶的是，这种事情会发生，更令人惊讶的是，这种事情会发生在这些后来的日子里，因为人们认为奇迹不应该发生。 但是它确实发生了。"- 约翰·冯·诺依曼 (1963)，谈论哥德尔 (1931) 不完备定理。
如今，我们站在一场对我们内心世界现实理解的革命的门槛上；这场革命一直在我们理解力的地平线上慢慢地蔓延，因为生物化学、植物学、微生物学、医学、精神病学、心理学、神经科学和动物学领域的发现，为所有生命（包括我们自身）的复杂机制带来了新的光明。 我们通常完全意识不到我们体内真正发生的事情，因为我们的眼睛向外看，而不是向内看。 我们体验自己的思想和感觉，但我们无法解剖和检查它们（尽管我们可以通过内省和沉思来沉思我们的想象）。 但借助刀子和显微镜，科学家可以切开其他人的头部和身体，并观察其内部。 他们的发现表明，与勒内·笛卡尔 (1641) 的想法相反，所有证据都表明，心灵并不位于身体之外的超然形而上学领域，而是在其中，在物质的真实物理领域。 没有心脑二元论——我们称之为心灵的是我们对大脑中发生过程的意识感知。
但这项启示并没有就此止步。 作为进化中最新出现的成员之一，人类设计并制造了一些非常惊人的信息处理机器。 仅仅在最近——大约在过去 100 年中——我们才能够使用其中的一些机器来深入观察活生物体的组织，并开始真正解开它们由什么构成以及它们如何工作的复杂性。 仅仅在最近——大约在过去 10 年中——这些调查才揭示，所有生物之间的亲缘关系比以往任何时候都更加密切。
所有生物的共同点在于它们由什么构成，它们做什么以及它们如何做到。
它们所做的是从外界输入物质，在体内对其进行处理以执行各种功能，包括从原材料中制造新物质，以及输出物质。 这些物质——光波、声波、分子和力——是宇宙能量场中的扰动。 它们是信息。 人类认知过程（如感觉、感知、思维和情感）是物理过程。 它们是信息过程。 它们是生物计算。
任何以任何方式处理信息的事物都是计算机。 植物和动物都有感官并执行计算功能来处理它们感官的输入。 盆栽园艺师注意到，植物倾向于朝窗户生长，因为光从那里照射进来。 这并非偶然——植物生长尖端的细胞含有称为光敏色素的光传感器，它会启动一系列生物计算，导致其茎内衬的细胞差异膨胀，从而使其呈现弯曲形状。 植物还可以感知重力的方向——茎向上生长，而根从种子向下生长，无论种子朝哪个方向向上。
向光性植物、克隆羊、试管婴儿和所有生命形式，包括你和我都属于信息处理器。 369 年后，笛卡尔著名论断“我思故我在”的当代版本可能类似于以下内容
“我活着，所以我计算”
人工计算机器的计算机制主要由硅和金属构成。 它以数字电信号的形式表示其软件（程序和数据）；其计算由对这些信号进行操作的电子机制执行。 自然计算机器的计算机制主要由称为氨基酸的有机分子构成，它们是能够连接形成称为蛋白质的长聚合物链的碳氢化合物。 活的机器以化学和电信号的形式表示其软件；其计算由对这些信号进行操作的细胞器、细胞和器官执行，并且可以被这些信号改变 - 而电子计算机可以改变其软件，但不能（至少目前还不能）改变其硬件，活的机器可以修改执行其计算的结构，甚至通过我们称为生长和繁殖的计算过程制造新的结构。
蛋白质键的物理特性使它们能够弯曲和扭曲成不同的形状，而不会破坏它们的化学完整性。 蛋白质的可塑性使肌肉能够搏动，皮肤能够伸展，以及卷须、根和神经元能够朝向光线、水和它们的邻居生长。 正如硅本身不能做太多事情一样，蛋白质也不能做太多事情。 但是，蛋白质的复杂组合，加上其他几种类型的分子，可以做到一件非凡的事情：它可以改变其物理结构。 蛋白质的物理可塑性是构成它们的生物体行为可塑性的关键之一：活的机器能够从原材料中制造自己的部件以生长、繁殖，并且能够响应不断变化的环境条件，智能地适应实现其计算功能的物质存在结构的奇迹能力。
死亡后，活的机器的天然聚合物和其他化学成分在土壤中积累，经过长时间的分解过程，转变为煤和原油的成分（如辛烷），这些成分可以被开采出来并重新加工以生产合成聚合物。
当您进行网络搜索时，您会要求搜索引擎服务器场在其索引数据库中搜索匹配项。 向其输入一个关键词串，它会输出一堆 URL。 这就是计算。
在日本和印度，寻找配偶的传统方式是聘请媒人——一个据称精通寻找相容伴侣的人。 媒人是一项计算，因此媒人是计算机。
当有人吸引了你的注意（或者，更有可能的是，你的嗅觉器官被它所感知的东西刺激了），你对他们有好感，那么你就是你自己的媒人。你是计算机。你的信息输入是他们的美丽（或信息素），而你的信息处理——你的反应——把你带到了一个新的思维状态。以及身体！计算作为状态转换的概念最早是由图灵（1936 年）提出的，尽管建造机器来执行计算的想法可以追溯到（至少）新石器时代；例如，巨石阵是一台由石头制成的计算机，其唯一活动的部件是太阳和月亮——巨石阵准确地计算了太阳和月亮至点的重合（霍金斯，1963 年）。当重合发生时，巨石阵的装置会发生变化，因为这两个天体出现在由巨石的角度和高度形成的取景器中，从特定位置观看时——巨石阵不仅仅是一堆拱门被动地站在一个圆圈中。
计算机是信息处理器。巨石阵处理太阳和月亮在天空、在季节中运行轨迹的信息。但究竟什么是信息呢？
“当我使用一个词时，”蛋头先生带着轻蔑的语气说，“我使用它来指代我想让它指代的东西。不多也不少！” - 刘易斯·卡罗尔，《爱丽丝漫游奇境》。
半答案：信息是说或写的东西，它有意义。
这可能是大多数人会说的，从某种意义上说，这是一个完全合理的运作定义。但它是一个纯粹的主观定义，因为某物对某人是否有意义完全取决于接收者。例如，加密信息试图向除了知道如何解密它的人之外的所有人隐藏它的意义。然而，加密信息中的信息仍然存在，只是它对于那些不知道应该对信息执行什么计算来弄清楚其意义的人来说是无法破译的。
同样的原则也适用于你无法理解的语言中的未加密信息，因为你的大脑还没有学会处理它。例如，下面是这段用斯瓦希里语写成的段落（根据谷歌）...
“Na huyo wa kanuni ni kweli unencrypted ujumbe katika lugha huelewi sababu ubongo wako haina programu zinazohitajika mchakato yake. Kwa mfano, chini ya aya hii imeandikwa katika Kiswahili (kulingana na Google)”
...对于任何不会说斯瓦希里语的人来说都是无法理解的。但不仅仅是外语对我们来说无法理解。假设你说了一些你认为对某人来说很深刻和有意义的话，而他们回答说：“胡说八道！”。对他们来说，你说的话毫无信息，因为他们头脑中没有和你一样的软件。然而对你来说，它是智慧的珍珠。信息——你说的话（区别于你想要表达的意思）——一旦说出来，就独立于你和他们而存在。
因此，说信息是有意义的东西只是一种半答案——它确实是有意义的东西，如果你有足够的头脑去理解它。
完整答案：信息是物理场中独特的变化——一个可以输出、传输、输入和处理的信号。
我们可能会倾向于认为信息是抽象的东西——是无形的东西，因为相同的信息可以用许多不同的形式表示。但信息没有物理形式就无法存在。无论这种形式是声波、纸上的墨水、电视信号、气味还是在某人血液中循环的肾上腺素分子，它都是一种物理形式。
一些信息场的例子包括声音、光线、化学环境、压力和电压。将信息从一种形式转换为另一种形式的过程称为换能。麦克风、扬声器和调制解调器是工程换能器的例子。在描述生物细胞的行为时，信号转导是用来描述细胞对来自其环境的刺激的反应的一般术语。这种刺激可能是化学信使，或其他形式的信息，如热量、盐度等。
信号的信息内容只有在接收者具有某种机制来注意到它（是否理解它又是另一回事）的情况下，才能从背景场中的一般白噪声中辨别出来。辨别信号需要它以独特的方式与背景不同。想想循环的声音（比如你自己的呼吸声）——只有当它改变节奏、音调或振幅时，你才会注意到它。塞缪尔·莫尔斯（Samuel Morse）的同事阿尔弗雷德·维尔（Alfred Vail）意识到，如果用最短的独特签名来编码（发出信号）最可能的消息成分，则消息编码可以最有效地完成。我们都直观地知道这一点，就像我们说“哎哟！”为了紧急地吸引某人的帮助/同情，而不是开始冗长的讨论，解释我们寻求帮助的性质。当我们在浅色纸上用深色墨水书写或反之亦然时也是如此。
一个有目的的信息发送者希望它具有特定的意义，但信息本身独立于该意图而存在。而且信息可以以除了文字以外的形式出现。例如，气味。或者图片。或者拍一下肩膀。或者眨眼、脸红、眼睛闪光、膝盖发抖、上唇上的汗珠、或者微笑、皱眉、挥手、转头、树丛中的沙沙声、地平线上的乌云。
一只老虎潜行靠近猎物，努力不传递关于它存在的信息，但如果它踩到一根树枝，树枝发出清脆的断裂声，所有在耳朵能听到范围内的动物和鸟类都会惊慌失措。在其他时候，同一只老虎会故意宣布它的存在——不是为了猎物，而是为了其他老虎，为了宣示领地——在周围留下化学信息（在它们的尿液中）。它们甚至会在另一只老虎的尿液上小便，以消除它的信息，并留下自己的信息。家猫通过用脖子上的气味腺摩擦主人的腿来宣示对主人的所有权。人们认为这是一种爱的表现，但实际上这是它们将你标记为其财产的方式。
对于能够解释光的生物来说，光在传递关于它最后反弹的物体的信息方面起着非常重要的作用，这使它们能够看到它们身处何处以及周围有什么。视觉场非常复杂，其信息的处理占据了人脑的很大一部分。
我们最熟悉的信息媒介之一是报纸。它上面的故事告诉我们（或误导我们）世界正在发生的事情。报纸是用纸做的，纸提供了一个方便的单色背景场，信息可以在其上以不同颜色的墨水形式表示，墨水以创造独特形状的方式放置在纸上：符号的图片，如字母和数字。
如果一张图片胜过千言万语，那么一千个字可以给你一张图片。文字可以写成符号序列。而符号可以用小图片来表示。听起来很循环，但事实并非如此：使符号具有信息意义的是它们彼此的独特性。独特性是将信息与噪声区分开来的关键因素。如果有人告诉你一些你已经知道的事情，他们并没有提供很多信息。如果天空布满了云彩，另一朵与其他云彩一样的云彩并没有什么意义。但如果天空布满了蓬松的白云，而在地平线上出现了一朵不寻常的黑云，它就会吸引你的注意。因为它就是信息。它就是信息，因为它具有独特性。
古埃及人、美索不达米亚人和希腊人，在一个晴朗的夜晚仰望天空，研究着点缀着太空黑暗的闪烁的灯光。他们注意到，灯光不是随机散布的，而是保持着它们在巨大的车轮中的相对位置，这个车轮似乎在缓慢地绕着地球旋转，除了希腊人称为行星的流浪者和美索不达米亚人称为“辛”的特别大的一个——我们称为月亮的那个。由于它们在黑暗背景下的独特性，地球上的古代人可以分别辨别出行星和恒星，并跟踪它们在天空中的运行轨迹。因此，行星、恒星及其星座成为了天体符号，很快就在占星家的想象中获得了以人为中心的地球意义。
计算 = 符号处理
符号是表示信息值的信号。计算机所做的事情——计算——就是处理符号。
在 17 世纪，计算机是指一个用铅笔和纸张算出商业财务状况所需算术计算的人。这个头衔后来被授予那些进行其他数值计算的人，例如在数学表格中列出各种函数的值所需的数值，包括航海员用于根据对已知恒星高度的目测以及目测日期和时间来计算其地理位置的“视差校正表”。随着可以更快、更便宜、更可靠地进行数值计算的电子机器的发明，计算机这个词的最初含义逐渐被人们遗忘，这对军队来说非常重要——能够可靠地计算出炮弹的着陆位置（Weik, 1961），使战争机器更加有效。
尽管早期机械和电子计算机的发明者的设计目的是进行可靠的数字运算，但我们后来发现它们的机器也可以表示、转换和处理其他形式的信息。所有类型——文字、图片、声音、音乐、视频、语音等等。电子数字数据处理计算机仅使用两个符号（数字）。英语单词digit来自拉丁语单词digitus，意思是“用来指出的东西”——来自拉丁语动词dicere，意思是“说，指出”，英语单词diction也源于此。手指方便用来指向，所以digitus也成为罗马语中的“手指”——直到今天，人们在做强烈的声明时仍然会摇手指。而且由于手指也方便用来计数，英语单词digit后来成为了numeral（代表数字的符号）的同义词。
罗马数字基于 5 和 10 的倍数的混合（我们一只手有 5 根手指）。我们现代的十进制记数法，基于 10 的单个基数，大约在 14 世纪从波斯传到欧洲。在这个记数法中，数字被写成表示 10 的连续幂的倍数的总和，从右到左读。但我们不需要 10 的基数（以及 10 个不同的符号）才能写出一串数字来表示一个数字。我们可以（数字计算机也这样做）使用 2 的基数（以及只有 2 个符号）来代替。二进制数字（或简称为位）代表 2 个值之一（0 和 1）。因此，例如，十进制记数法中表示为符号串“23”的值在二进制记数法中表示为“1011”，它表示 1x16 + 0x8 + 1x4 + 1x2 +1x1。
当我们在纸上写十进制数字时，我们并不写符号本身，而是它的图片——例如，第三个十进制数字通常被画成两个曲线，一个在另一个上面。数字计算机用被称为 Unicode 的编码约定，使用 16 位的不同序列“绘制”我们符号的图片。第 52 个 Unicode 字符是 000000000011000000，它表示第三个十进制数字。用 16 位，Unicode 可以编码 216（超过十万个）不同的图片，足以区分所有人类语言的所有字母的所有符号。
一个符号本身的唯一含义是它的唯一性，这在信息上等同于它在字母表中的位置，这是一个与所有其他符号不同的位置。然而，仅仅凭借这种微不足道的独特性质，以及最简单的结构形式——一维序列——符号可以表示诗歌或物理定律描述中所包含的所有丰富含义。
活着的计算机有自己的物理符号字母表，它与生命本身一样古老——大约 40 亿年。它是生物细胞管理其内部过程并相互交流的化学信号字母表。
生命 = 计算
人工电子计算机由处理器（硬件）和过程（软件）组成。软件告诉硬件如何记忆和处理它的数据。但在自然的活的计算机中，没有硬件和软件的分离，也没有过程和内存之间简单的区别。
所有活的计算机，从最小的细菌到最大的蓝鲸，都是由细胞组成的。每一次体验都会导致细胞根据其生命配方以某种方式修改自身，这种配方是从其祖先那里继承的，并以 DNA 的形式编码，包含在每一个细胞中。细胞的输入是其他细胞发送给它的化学信号（对于感觉细胞来说，是环境）以及它通过胞吞作用吃掉的东西，它的计算过程是它的代谢途径，它的输出是它的运动以及它通过胞吐作用输出的产品。
CellProcess(信号, 食物) = <产品, 运动>
代谢途径的特点是合成代谢（合成），它从小的分子（如氨基酸）合成大的分子（肽、蛋白质、多糖、脂类和核酸），在这个过程中消耗能量；以及分解代谢（分解），它将大分子分解成小分子，将它们的化学键的能量转移到生命通用的能量载体三磷酸腺苷（ATP）中，合成代谢途径在它们的反应中使用这种能量。
发电站将煤炭中的能量转化为电力，为电子计算机的计算提供动力。活细胞有自己的内置发电站，为它们的计算提供能量。细胞呼吸是一系列代谢反应（糖酵解、三羧酸循环和电子传递链）的级联反应，它们将葡萄糖中错综复杂的键的能量转移到更易于利用的 ATP 键中。
当细胞需要能量时，它会断开 ATP 中第二和第三磷酸基团之间的键，释放它的能量，形成二磷酸腺苷 (ADP) 和一个游离的磷酸分子。当细胞有剩余能量时，它会通过从 ADP 和游离磷酸中形成 ATP 来储存能量。这样，ATP 就像一种便携式电池，能够在空间上分离的代谢反应之间传递能量。因此，它通常被称为生命的能量货币。最初，能量来自太阳。植物在光合作用过程中捕获能量，并利用从土壤中吸收的磷，将能量转化为 ATP 形式的化学能。利用这种能量，植物产生碳水化合物、脂肪和蛋白质，这些物质被动物吃掉，动物消化植物的纤维，并利用其组成成分制造自己的 ATP。当动物死亡时，它的磷最终会回到土壤中，生命的循环继续下去。
熵是系统混乱程度（不可预测性）的度量。一堆砖块比那些相同的砖块组织成一个物理结构（如房屋）的熵更高。一堆随机的位比组织成计算机程序的位熵更高。热力学第二定律指出，“熵增加”。将冷牛奶倒入温暖房间的热咖啡中，咖啡的热能将流入牛奶，直到它们都或多或少地达到相同的温度。牛奶和咖啡不同温度的热信息消失了——杯子内系统的熵增加了。
但是如果你喝掉它，就会发生一件非凡的事情：它的熵降低了（薛定谔，1944 年）——它的原子停止以布朗运动的方式四处弹跳，变得更有序（直到你死亡）。当它们进入你的消化系统时，牛奶咖啡的原子变成了胃、肠道、血液的信息处理器的“数据”，从那里进入你身体和思想的所有细胞，在那里它们成为创建细胞结构、运动和化学信号的代谢过程的构成部分。
例如，组成牛奶中胆固醇的原子最终可能会成为你肾上腺制造的一种类固醇激素的一部分；类固醇不再在一个杯子大小的海中进行布朗运动，而是有目的地流经血液，寻找通过它们的肾上腺素受体与之交谈的细胞。这是应该的；你被大自然设计出来处理和重新包装牛奶中的好处，即使它是在考虑你母亲的牛奶而不是黛西奶牛的牛奶，后者比人奶的胆固醇含量低一半左右。
但是，你没有被编程来处理咖啡因的数据，咖啡因会偷偷地穿过你的血脑屏障，欺骗你神经元中的腺苷受体，让它们以为收到了“冷静下来”的信号，因为它们无法区分腺苷和咖啡因。这完全搞糊涂了神经元，因为咖啡因对腺苷受体的作用方式与预期并不完全相同，最终会拮抗（阻断）它的正常功能，即告诉神经元减速。因此，神经元并没有减速。由于这种情况在所有地方都发生，总体的效果是你的神经元和你变得比平时更活跃。即使这可能使你的行为比平时更混乱，咖啡因分子的熵本身却降低了，因为它们已经成为你组织系统的组成部分。
生命过程通过将它们的原材料的原子组织成细胞和细胞系统，降低了它们的原子熵。每个细胞都像一个小工厂，吸收原材料并输出制造的产品。但这并不是一个由惰性材料制成的工厂，它扎根在工业园区的一个地方——它可以移动。植物可能没有翅膀或腿，而且扎根在地面上，但它们绝不是静止的。它们的根不断移动，寻找水源。它们的茎向上攀爬，寻找光线；它们的枝叶在阳光下伸展，吸入二氧化碳并呼出氧气。
鱼没有翅膀或腿，但它们可以围绕鹰或猎豹游动，只需弯曲肌肉即可。肌肉细胞扩张和收缩，但它们并不是唯一会移动的细胞类型——所有细胞，甚至骨细胞和牙齿细胞，都充满了生命的活力。在每个细胞内部都有微管，它们是微型的单轨铁路，沿其移动称为驱动蛋白的马达转运蛋白，运输着由细胞中的核糖体制造的大分子货物。驱动蛋白有两个头部，通过一个短而灵活的脖子连接到一个长尾巴。它的货物绑定到它的尾巴，而它的双头以一种步行的动作交替地绑定到微管上的分子。驱动蛋白工作的动力来自无所不在的能量携带分子生命 ATP。
常识
[edit | edit source]地球的富饶花园充满了各种气味，让人们为之着迷或反感。嗅觉是我们最基本、最直接的感觉之一，能够引发最强烈的感觉，如亲密、满足和快乐，或最强烈的反应，如厌恶和反感。决定我们对不同气味的反应的过程是大脑和身体细胞进行的复杂计算的结果。
气味分子是气味字母表的符号。嗅觉上皮有数百万个微小的毛发状受体细胞，它们被压缩在一个大约相当于邮票大小的区域内。受体细胞尖端的膜上点缀着几种不同的分子受体分子。每个受体分子都具有特定的物理和化学结构，使它能够只与一种气味分子结合（识别）（Peterlin 等人，2008 年）。结合事件导致受体分子在受体细胞内改变形状，从而引发细胞内的一系列化学变化（称为信号通路），产生电信号，该信号被发送到嗅球，嗅球整合来自许多受体的信号，并将它计算的信息传递给大脑。Axel 和 Buck (1991) 发现，老鼠大约有 1000 种不同的嗅觉受体细胞；人类只有大约 400 种，但我们可以区分大约 10,000 种气味组合，我们识别为不同的气味，例如咖啡的香味，它是其 800 种不同的芳香化合物中的大约 19 种的组合（参考文献）。
但嗅觉远不止鼻子所能感知的：以化学信号形式存在的信息是所有细胞（包括神经元）相互沟通的基本机制。从最小的细菌到最大的蓝鲸，每个生物体中的每个细胞都是一个自主的个体，它读取并处理传递给它的化学信息。人体由 100 万亿个 210 种不同类型的细胞组成，但所有细胞——皮肤、骨骼、肌肉、心脏、胃、肾脏、肠道以及所有其他细胞，包括大脑和神经系统的 神经元——都通过相同的基本机制进行相互沟通，即发送和接收化学信号。
生命起源及其早期演化仍然不确定，但所有已知的生命形式都是由具有相同基本结构和功能化学构建块的细胞构成的：碳水化合物（如葡萄糖）、脂类（如胆固醇）、蛋白质和核酸。细胞主要分为两种类型：原核生物（古细菌和细菌）和真核生物（植物和动物）。原核细胞比真核细胞小得多（也简单得多）。原核生物是古老的物种，其中一些（被称为极端微生物）仍然可以在黄石公园的温泉以及海底数英里的热液喷口等地方生存，还有许多其他物种生活在不太恶劣的环境中。
计算机硬件小型化的进步速度令人惊叹——几十年前需要一个房间才能容纳的电子设备现在可以被压缩到一个小芯片上，比你小指上的指甲还小。最新微处理器的特征尺寸（导电或绝缘路径的宽度）约为 0.045μm——数百个使用这种技术制造的晶体管可以安装在一个直径约 8μm 的人红细胞上（英特尔，2009 年）。微电子行业无疑是现代的阿喀琉斯，在科技之翼的推动下飞越进步之海，而自然界只是缓慢前行的进化乌龟，但她比我们领先了 40 亿年……
……细菌细胞的核区包含其基因组，一条近 200 万个核苷酸的多重螺旋链，其中只有 4 种：腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和鸟嘌呤。因此，基因组就像一本用只有 4 个符号 {A、C、T、G} 的语言写成的书。因为有 4 个符号，所以每个符号携带 2 位信息（因为两个比特有四种组合）。最新技术的电子闪存能够在每个浮栅晶体管上存储 3 位信息，因此需要 750,000 个这样的晶体管来存储 400 万位信息——这将需要一个相当于 3,000 个红细胞的空间（假设我们可以在一个红细胞上安装 250 个晶体管）。但自然界将相同的信息装入一个细菌中，而细菌的体积只有红细胞的 1/100——所以她在信息存储组件上的小型化设计比人类精确 300,000 倍。
动物细胞使用大量的化学信号，每个信号在影响方面都有其特定的含义。化学信号的术语相当不一致，有时源于其功能作用，有时源于其化学结构：神经元突触中的信号被称为神经递质，内分泌系统中的信号被称为肽类激素和类固醇，旁分泌信号被称为生长因子和凝血因子，而免疫系统中的信号被称为类二十烷酸（前列腺素和白三烯）和细胞因子（白介素、干扰素和生长因子）。
内分泌激素通过人体高速公路——血液——在动物体内广播，血液的功能是作为化学信号以及氧气和营养物质等原材料以及细胞过程的输出（制造产品和废弃物）的运输和分配介质。存在着许多不同的激素，但每种激素只靶向可以读取其信息的细胞。肽类激素信息通过嵌入细胞膜的受体读取；较小的类固醇穿过细胞壁（如何？），并通过细胞质或细胞核膜中的受体读取。
心脏、肺、肾脏、肝脏、胸腺、皮肤、胎盘和性腺释放激素，以及专门负责激素产生的几个腺体：-
松果体位于大脑中央，分泌褪黑素，这是一种调节睡眠-觉醒周期的激素。
下丘脑位于大脑下部中央，是内分泌系统和神经系统的首要联系。情绪和温度、光线等环境条件等因素会影响下丘脑产生化学信息，这些信息调节垂体的活动。
垂体的大小约为豌豆大小，通常被称为“主腺”，因为它产生控制其他腺体的激素：生长激素刺激骨骼和其他身体组织的生长，并在身体处理营养物质和矿物质方面发挥作用；血管加压素，也称为抗利尿激素，通过其对肾脏和尿液输出的影响来调节身体的水分平衡；促甲状腺激素，或促甲状腺激素 (TSH)，刺激甲状腺产生甲状腺激素；促肾上腺皮质激素 (ACTH)，刺激肾上腺；内啡肽，作用于神经系统以降低对疼痛的敏感性；催乳素激活哺乳期妇女的乳汁分泌，以及许多其他与生殖相关的功能（班克罗夫特，2005 年）；催产素对交配、分娩（它触发分娩期间子宫的收缩）、育儿和配对结合有许多影响。
甲状腺中的滤泡产生甲状腺球蛋白，这是一种甲状腺激素的储存形式。来自垂体的 TSH 信号导致甲状腺球蛋白转化为甲状腺素和三碘甲状腺原氨酸，这些激素控制细胞燃烧食物中的燃料以产生能量的速度。降钙素也由甲状腺中的大型细胞分泌；它在调节钙方面发挥作用，钙用于骨骼和牙齿形成、神经功能、肌肉收缩和血液凝固。附着在甲状腺上的甲状旁腺——四个微小的腺体，共同发挥作用，释放甲状旁腺激素，该激素与降钙素一起调节血液中的钙水平。
肾上腺，位于每个肾脏的顶部，有两个部分。外层称为肾上腺皮质，接受来自垂体激素 ACTH 的指令，并产生三种皮质类固醇：盐皮质激素、糖皮质激素和雄激素。盐皮质激素醛固酮调节体内钠离子和钾离子的电解质平衡。它通过影响肾脏来实现这一点；当血液中的醛固酮浓度很高时，肾脏比正常情况下保留更多的钠并排出更多的钾。糖皮质激素如皮质醇通过分解脂肪和蛋白质来提高血糖水平，从而产生对压力的长期、缓慢的反应；它们也抑制免疫反应并抑制炎症反应。雄激素脱氢表雄酮和雄烯二酮被毛囊、皮脂腺、前列腺和外生殖器转化为睾酮，并参与脂肪组织中的雌激素合成。
肾上腺的内层，肾上腺髓质，产生儿茶酚胺，如肾上腺素（在美国称为肾上腺素）和去甲肾上腺素，这些物质是“战斗或逃跑”反应的基础，直接增加心率，触发能量储存中葡萄糖的释放，并增加流向骨骼肌的血液流量，瞳孔扩张，肺部气道扩张以及非必需器官的血管收缩。当肾上腺素信号发出命令时，肝脏会制造葡萄糖，葡萄糖为细胞代谢提供能量。肾上腺素受体存在于四肢血管壁内的肌肉中；去甲肾上腺素会导致肌肉收缩，从而导致四肢血管收缩，将血液重新导向心脏和大脑等重要器官。它还会产生更大的阻力让心脏搏动，从而提高血压。血管和气道扩张，使身体能够将更多血液输送到肌肉并使更多氧气进入肺部，从而在短时间内提高身体机能以应对危险和意外情况。
饭后，血糖水平升高，促使胰腺释放胰岛素，胰岛素会导致细胞摄取葡萄糖，肝脏和骨骼肌细胞形成碳水化合物糖原。当血液中的葡萄糖水平下降时，胰岛素的产生受到抑制，胰高血糖素被释放，它会导致糖原分解成葡萄糖，然后释放到血液中以维持血糖水平在一个稳态范围内。
男性性腺，睾丸，分泌雄激素，包括睾酮，它调节精子的产生，并具有各种副作用，例如声音变粗、面部和阴毛生长以及肌肉生长。女性性腺，卵巢，分泌雌激素和孕激素，这些激素参与妊娠和月经周期的调节，并具有各种副作用，例如乳房发育、臀部和大腿周围的脂肪积累以及青春期期间的快速生长。
激素水平通过负反馈系统进行管理。例如，垂体感知血液中甲状腺激素的水平，并调整其促甲状腺素的释放，促甲状腺素是刺激甲状腺产生甲状腺激素的垂体激素。当血液中的钙水平升高时，甲状旁腺感知到这种变化并减少其甲状旁腺激素的分泌。
下丘脑-垂体-肾上腺轴 (HPA) 具有一个特征明确的昼夜节律模式，该模式受下丘脑视交叉上核 (SCN) 的控制，而视交叉上核的激活又受光的调节。下丘脑室周网络在协调昼夜节律、免疫和精神刺激的神经内分泌、自主神经和行为流出方面发挥作用。HPA 反馈回路发生在不同的时间域，称为慢反馈（响应长期暴露于糖皮质激素）、中度反馈和快速反馈（两者都响应压力和昼夜节律事件）。HPA 昼夜节律的控制取决于由促肾上腺皮质激素释放激素 (CRH) 和精氨酸加压素、ACTH 以及肾上腺对 ACTH 的反应性驱动的下丘脑-垂体活动。该活动最终受光（在 SCN 处）和食物（在下丘脑腹内侧，它调节 CRH 基因的表达）的驱动。无论是身体上的还是心理上的压力刺激，都会扰乱 HPA 轴的稳态。这些刺激可能起源于下丘脑外部位，例如整个脑干的儿茶酚胺细胞群、脊髓-下丘脑-脊髓-丘脑-脊髓-网状丘脑疼痛通路、免疫系统产生的促炎细胞因子，以及来自内侧前额叶皮层和海马体的精神刺激。（Paz-Filho 等人，2003 年）。
促性腺激素释放激素 (GnRH) 触发了一系列激素，为性行为和生育做准备。人类，以及鸟类、老鼠和羊，都会释放促性腺激素抑制激素 (GnIH)，它会抑制这一系列反应。GnIH 受体存在于下丘脑和垂体中的 GnRH 神经元以及性腺中。它的总体作用是抑制繁殖，但作用于生殖轴的不同水平。压力会影响 GnIH 的水平，解释了压力导致生育率下降的原因。由于生殖激素通常会促进癌细胞的生长，GnIH 作为抗癌剂可能具有治疗价值。激素依赖性癌症的治疗方法包括使用 GnRH 拮抗剂或非常高剂量的 GnRH，这会导致副作用；GnIH 疗法可能更有效。人类 GnIH 基因产生一种前体蛋白，包含 12 个和 8 个氨基酸成熟肽。羊的一种肽与人类肽具有相同的氨基酸序列；人类激素已被证明可以抑制羊的促性腺激素释放 (Ubuka 等人，2009 年)。
解读信息 - 信号转导 当信使分子到达细胞时，它会触发细胞内部一系列生物计算。细胞的细胞质被包裹在一个类似于液态水晶防水塑料（一种磷脂）的东西中，它包含并保护着细胞的生命机器。膜不透水，但布满了可以结合特定信使分子的受体蛋白。我们可以将信使分子想象成一把钥匙，将受体想象成一把锁。如果钥匙适合锁，则信息被接收。这被称为结合事件，因为相关的分子会暂时结合在一起——因此，信使分子被称为配体。稍后，细胞内的反馈系统会解除结合并使信使失活，释放受体以接收未来的新信息。失活的信使会通过其他过程被回收。
信使分子与受体蛋白之间的结合事件会导致受体发生构象变化，这种变化会传递到暴露在细胞内部的部分。这个过程被称为信号转导，因为信使在外部表示的信息被转导为细胞内部转导器不同形状表示的信息。它新的形状允许它与细胞质内的另一种蛋白质（称为转导器）结合。
例如，肾上腺素是一种激素，当大脑决定需要紧急行动时，由肾上腺分泌到血液中。当它到达能够读取其信息的细胞时，会发生以下信号转导（Nobel.org，2004 年）
信息，肾上腺素分子 (1)，与其特异性受体 (2) 结合。从而，转导器，一个G 蛋白 (3) 被激活。这反过来刺激放大器腺苷酸环化酶 (4) 在 ATP (6) 的帮助下产生第二信使环状 AMP (5)。这引发了一系列酶促反应 (7)，包括糖原 (8) 的磷酸化，它被转化为葡萄糖 (9)，细胞利用它产生 ATP (10)。糖原磷酸化还可以改变门控离子通道 (11) 的蛋白质。细胞内离子浓度（主要是钾和钙离子）影响细胞的行为。例如，肌肉细胞需要细胞质中一定浓度的钙离子才能收缩。离子浓度也调节外排作用（物质从细胞中排出）的废物和信号分子的排出。每个离子通道传导特定种类的离子，例如钠或钾。在自由空间中，电动力将电荷从高能区驱动到低能区，就像大气压的变化会产生从高压区流向低压区的空气流一样。细胞膜和离子通道的门控管理这种自然趋势，就像蒸汽机的钢外套和调速器控制其锅炉内的压力一样。
像肾上腺素这样的大的信使分子与细胞膜上的受体结合，但像类固醇激素这样的小的信使分子会穿过细胞壁，与细胞质内或其核膜上的受体结合。人类有五种类固醇：孕酮调节妊娠期间的事件；皮质激素抑制炎症反应并调节矿物质和糖代谢；雄激素促进男性性发育并维持男性性特征；雌激素促进女性性发育
在植物中，生长素是调节纵向细胞结构的类固醇激素的一个例子，以便在向光性反应中使茎或叶柄弯曲。大多数类固醇激素既不是碱性的也不是酸性的，但雌二醇除外，由于存在酚组分，它略微呈酸性。 .....
所有细胞功能都直接或间接地涉及细胞基因组中核苷酸（由核酸构成）的遗传信息，这些信息包含在细胞核中。
当信使分子与细胞或其膜上的受体结合时，它们会导致一系列合成代谢和分解代谢的生物计算，从而执行细胞功能，例如根据细胞 DNA 的配方，从氨基酸原料制造蛋白质产品。
植物细胞具有坚固的细胞壁，但它们并没有与外界隔绝。细胞壁由嵌入果胶和半纤维素基质中的纤维素微纤维层组成。基质是多孔的，允许小分子的营养物质和化学信号渗透。
植物的生长尖端具有光敏受体，当被激活时，会诱导 (Yamamura 和 Hasegawa，2001 年) 在朝向光线的植物一侧释放拮抗 (抑制) 生长素（一种植物激素）的物质。它的正常功能会引发细胞内的质子泵，将 H+ 离子排出到细胞壁中，这反过来会激活称为膨胀素的酶，这些酶会破坏细胞壁结构中的键，使细胞壁变软，从而导致细胞由于其内部的膨压而膨胀。抑制植物茎部朝光的一侧细胞中生长素的功能意味着它们不会膨胀，因此茎部两侧不同的膨胀量会导致茎部向光弯曲。
有些叶子的基部有一个专门的器官叫做叶枕，由厚壁的导水血管组织组成，周围是薄壁的运动细胞，可以发生明显的膨胀和收缩。与移动动物关节的肌肉类比，叶枕下部的运动细胞被称为屈肌细胞，上部的运动细胞被称为伸肌细胞。接收到来自光传感器（响应其刺激）的称为光敏色素的化学信号后，伸肌细胞会打开钾离子通道，这会增加细胞的膨压，导致它膨胀。在黑暗中，伸肌细胞中的 K+ 通道关闭，但在屈肌细胞中打开，屈肌细胞失去膨压并收缩，叶枕关节失去刚度，使叶片下垂。
植物地上部分表皮中的气孔促进植物与大气之间的气体交换。气孔周围有一对保卫细胞，这些保卫细胞介导气孔的打开和关闭。保卫细胞对各种刺激做出反应，包括蓝光、CO2 浓度、干旱、病原体攻击和植物激素，包括脱落酸 (ABA)，这是由离子跨质膜和液泡膜的转运以及有机溶质含量变化介导的 (Mori 等人，2006 年)。
那么，所有这些奇妙的计算机制是从哪里来的呢？
用来描述运动细菌在分子场中导航的合理行为的术语是趋化性：它表明细菌会向它们可以利用的分子浓度移动，而远离对它们有毒的分子。细菌通过鞭毛运动，鞭毛通过这里所示的马达装置旋转，这种装置是极少数的生物车轮马达的例子之一。
大肠杆菌的多个鞭毛顺时针螺旋缠绕在一起；当它们全部逆时针旋转时，它们就像小小的旋转螺钉，移动它们生存的液体，就像阿基米德在 20 亿年前寻找从井中提取水的方法时重新发现的那样。当液体穿过它的身体时，细菌就像直升机或螺旋桨一样向前移动。就像莱昂纳多在阿基米德之后两千年，以及约翰·埃里克森 (John Ericsson)（他为船舶螺旋桨申请了专利）在他之后三百年所认识到的那样。谁说细菌不聪明！
虽然鞭毛的逆时针旋转推动细菌前进，但它们的顺时针旋转会产生湍流，导致细菌翻滚并指向一个新的方向。通过这两种运动——直线推进或翻滚——鞭毛细菌在世界上导航。
我们可以将大肠杆菌想象成一个微小的机器人，由其内部组件的功能特性和内部蛋白质形式的指令编程，如其过程的流程图所示，该流程图显示了四个不同的跨膜受体协同工作。
每个受体都可以通过与环境中的特定范围的化学物质分子结合来对这些分子做出反应。当它这样做时，受体蛋白会发生改变，使其内部的蛋白质能够与周围等待机会做某事的 CheB 蛋白结合。
信号转导链产生了两种最终产物：(1) 一个信号（以磷酸化 CheY 蛋白形式）被发送到鞭毛马达复合体，它可以与称为 FliM 的蛋白质结合，影响鞭毛的旋转，以及 (2) 一个反馈信号蛋白 (CheR) 被创建，它拮抗任何跨膜受体与其他配体的结合。反馈只持续几秒钟——从长远来看，这与鞭毛旋转的两种模式相结合，产生了让细菌沿着它喜欢的物质的浓度梯度爬升并远离它不喜欢的物质的总体效应。
细菌通常生活在菌落中，并通过发送和感知称为自诱导剂的小型信号分子相互交流，这些分子可以识别它们与邻居的关系——每个物种都有自己的特征。此外，有一种特殊的所有细菌都能产生和感知的自诱导剂。在一个称为群体感应 (Waters 和 Bassler，2005 年) 的过程中，细菌会根据它们感知到的自身和附近其他物种的数量来调整其行为。由于一个物种群中的每个个体都拥有相同的决策机制，整个群体往往会以相同的方式表现。这使他们在竞争情况下拥有数量优势的生存优势，例如当他们受到动物免疫系统的攻击时。
虽然细菌信号转导与真核细胞的信号转导是不同的反应，但有证据 (Marlovitz 等人，2002 年) 表明一种称为 FeoB 的细菌蛋白可能是 G 蛋白的原始原型。从叠层石到露西（已知最早的人类祖先）进化花了很长时间——超过 30 亿年 (Johansen 和 Edy，1981 年)，而从露西到我们只花了那一时间的一千分之一，但似乎细菌和我们可以感谢我们的共同祖先，使我们的细胞获得了嗅觉，这样它们就可以协同工作，这样我们就可以存在。
眼见为实
[edit | edit source]许多生物都参与共生关系，在这种关系中，每一方都从这种互动中获益。共生关系涉及交流，以便双方都知道对方是谁以及在哪里。例如，鲜花对我们来说很漂亮，但这不是它们生命中的目的 - 它们存在是为了吸引像蜜蜂这样的昆虫。
植物主要由茎和叶组成。茎通常是暗淡的颜色，叶通常是绿色的。但花朵则以彩虹的所有鲜艳颜色鲜明地着色。在海洋生物中，鲜艳的颜色通常表示有毒。这会阻止捕食者。对食用鲜艳颜色事物的厌恶似乎是从海洋世界（生命可能起源的地方）延续到陆地动物的世界。很少有食草动物吃鲜艳颜色的花朵 - 很好，因为如果食草动物把花朵看作食物，植物繁殖将被摧毁，整个生态系统的食物网将崩溃。
花朵利用蜜蜂可以清楚地从周围植被中区分开的特殊紫外线颜色来宣传自己。因为我们不是蜜蜂，所以我们不知道花朵对蜜蜂究竟是什么样子 - 但我们可以通过改变花朵在只有紫外线照射时反射的图像的频率来想象它可能是什么样子。蜜蜂的本能让它们将发光的紫外线颜色与花蜜的存在联系起来；这些颜色宣传了蜜蜂能量生活所需的蜜蜜的承诺。
植物花蜜通常在深井底部。为了到达那里，蜜蜂必须爬过花朵的柱头（通往子房的入口）和花药。蜜蜂直到它毛茸茸的身体接触到花朵的花药才能够逃脱，这样它粘糊糊的花粉囊就会粘在它身上，准备在蜜蜂下次感到饥饿时被运送到另一朵花上。
一旦花药被清空，柱头就会打开，这样任何携带来自另一朵花的花粉的访客都会将其刮到柱头上，沿着花柱进入子房。通过在花药被清空之前保持柱头关闭，花朵避免了自花授粉，因此它的后代将在杂交（在许多代中，近亲繁殖往往会产生不利特征）中获得进化优势。
花朵是计算机 - 花朵识别其花药已被清空并决定仅在此时打开其柱头的过程是一种计算。蜜蜂也是如此 - 蜜蜂必须处理植物宣传的信息，以知道到哪里去寻找美味的花蜜。小熊维尼通过气味找到蜜蜂从花蜜中产生的蜂蜜；由于蜜蜂的触角上有嗅觉受体，因此它们很可能能够识别花朵的浓烈香味以及识别它们的紫外线显示。
一些花朵有更具诱惑力 - 而且具有欺骗性 - 的方法来向昆虫宣传自己。澳大利亚的锤头兰通过模仿雌性黄蜂的形状和气味，欺骗雄性锤头黄蜂来拜访它。当一只雄性黄蜂试图与它认为是雌性的黄蜂交配时，兰花上的塑料铰链会导致黄蜂来回摇摆，摩擦着兰花粘性花粉囊，花粉囊粘在它的背上。当它稍后对另一朵锤头兰执行相同的行为时，花粉囊将被分离，花朵就会受精。
为了利用而进行欺骗在生物界很常见，并且通常虚假的诱惑是性吸引力 - 光芒中比眼睛看到的更多。
但是，您不需要像我们这样的眼睛就能看到正在发生的事情。蛇尾纲动物 Ophiocoma wendtii 的上半身覆盖着数百个半球形的方解石隆起。每个隆起都充当一个透镜，将光线聚焦到下面的神经纤维束上。在每个透镜旁边是深色色素细胞（色素细胞），当光线明亮时，这些色素细胞会迁移到透镜表面 - 蛇尾纲动物戴上了太阳镜！该动物对光强度的突然变化作出反应，通过逃跑来应对 - 即使它没有我们认为的大脑，它肯定有一个神经网络，能够处理光信息，做出决策，指挥它的肌肉有节奏地移动它的手臂，以便它能够逃脱，并引导自己到安全的地方。
光强度的变化 - 无论是随着时间推移还是在空间中变化 - 都能传递信息。我们还不知道 O. wendtii 的微型眼睛是否在其脑海中创造了一个图像，但 Strange 和 Howard（1979 年）的实验表明，蜻蜓的复眼提供了足够的解析度，使其能够感知其环境的位置和方向，并且，当进行快速转弯时，监测其位置，以便能够调整其飞行姿态，这对于稳定性至关重要。
我们可能不如蜻蜓聪明 - 我们还没有找到像它们一样飞行的办法 - 但我们可以阅读报纸。当我们阅读时，从纸张上符号图像的形状反射的明暗图案落在我们眼睛后部光感受器神经元的膜上的感光分子（如视紫红质）上。
通常，受体神经元会不断地向其末端突触发出信号蛋白（神经递质）。但是当光线照射到其视紫红质上时，会发生一系列化学事件，导致光感受器膜发生超极化，从而导致神经元停止释放神经递质。
光感受器神经元的行为类似于一种称为反相器或非门的电子晶体管电路，其中输入（A）上的电位关闭了 Vdd-Vss 电流的正常流动，因此电路的输出（Q）与其输入相反。
多个晶体管可以连接在一个电路中，以计算两个单比特信号的逻辑函数。对于构建电子处理器非常有用的一个逻辑函数是 NAND（与的相反），因为两个比特的每个逻辑函数 - 例如二进制加法的求和位或进位位的计算 - 可以通过非和 NAND 函数的组合来计算。反相器和 NAND 门是数字计算机处理器集成电路的标准构建块。仅使用这些基本构建块，就可以构建能够被编程执行高度复杂计算的处理器，例如预测天气或找出如何击败世界象棋冠军。
通过简单计算的组合来执行复杂计算的原理在生物计算机中通过神经元细胞网络通过突触连接来实现。这些是脑的计算构建块。
突触是传递神经元（突触前）轴突末端和接收神经元（突触后）树突之间的连接。信息跨突触的传递通过化学信号转导机制进行：传递神经元轴突中的神经冲动（动作电位）导致信号分子（神经递质）从其末端释放到突触间隙。
神经递质与接收神经元中的受体结合，引发信号转导序列，导致接收树突中离子通道打开，导致电荷流入（兴奋性）或流出（抑制性）。
如果在任何时候，接收树突参与的所有突触的结果是接收神经元的轴突丘被充分激活，则会沿着其轴突传播一脉冲动作电位。多达 10,000 个突触的综合效应决定了接收神经元的轴突丘中产生的电位是否足以达到触发沿着其轴突传播的神经冲动（动作电位）的阈值，以传递给其他神经元或效应细胞。通常，单个输入 (a) 不足以引起反应，而多个输入必须同时发生 (b) 或在时间上重叠 (c)。
沿着神经元轴传递的唯一信号类型是动作电位脉冲。轴突传递二进制信号；在接收轴突中产生的信号要么是脉冲，要么是没有脉冲。接收器是否脉冲取决于突触前脉冲的强度和频率，其综合效应决定了接收器的阈值电位是否达到。一旦接收器的电位阈值被达到，接收器中产生的脉冲幅度纯粹是接收神经元特定化学性质的函数。因此，我们可以将其视为二进制（逻辑）信号，或者可能是振动 - 更高的频率是更强的信号，更有可能诱发与其具有突触连接的神经元中的动作电位。
无论哪种方式，突触都执行一个位于任何逻辑推理系统（推理）核心的计算。突触表达推理规则：“如果这样，那么那样” - 如果它认为这样是正确的，它就会推断那样是正确的。推理规则是一种关联，一种信念，即它的输出可以从它的输入中推断出来。自主反射是由脊髓中感觉神经元（传递来自传感器的消息）和运动神经元（传递给肌肉的消息）之间的突触产生的
如果太热，则收回
如果膝盖拍，则膝盖跳
但是，即使在自主反射的情况下，单个突触也不是全部 - 效应神经元也接收来自大脑的消息，并且反射并不总是发生（Kennard，1947 年）。更复杂的情绪反应、深思熟虑的评估或感知印象是在大脑中产生的，这是数千甚至数百万个突触进行推理的结果。
我们出生时，许多突触已经到位，由怀孕创造的创造奇迹所放置，这也创造了我们制造新突触的生物机制，用于通过反馈学习。
有很多东西要学。婴儿会把触手可及的东西放进嘴里；但很快，由于经验反馈，正在成长中的孩子开始获得一种辨别力，即有些东西是令人作呕的，而另一些东西是美味的。它形成了信念。
我们的信念是推理和推理规则；它们表达了我们对事物之间关系的理解。例如，那些看起来或闻起来像特定方式的事物可以被推断为拥有某些属性（例如，好或坏）。
一旦形成，信念就会成为新信息的强大过滤器，以至于许多可获得的信息可以被忽略或误解：“从物体传来的感官信息只占感知内容的一部分。其余部分总是来自内部”（Luckiesh，1922 年）。我们没有看到我们眼前的东西 - 我们看到了我们认为存在的东西。我们看到我们可以相信的东西。
推理规则的直观语义很好地捕捉了启发式概念（一种“经验法则”，在大多数情况下都能奏效），导致 Newell 和 Simon（1972 年）将其用作其关于人类解决问题的计算基础理论的基础。他们的工作对试图产生能够展示人工智能的计算机程序的工作影响很大，特别是那些后来被标记为“专家系统”（McCorduck，1979 年）的程序。虽然这些程序可以展示一些令人印象深刻的能力，但它们也存在一种近视 - 它们只能在一个有限的范围内进行推理，并且缺乏处理超出此范围情况的能力。Minsky（2006 年）观察到，人类推理不会受到这种脆弱性的影响，并且似乎更多地涉及类比而不是演绎。然而，即使人类拥有非常广泛的常识能力，他们也能够患上严重的近视，对与他们现有信念不符的事物视而不见，并保持相互矛盾的信念。
这种现象的部分原因可能是脑功能的物理定位。例如，梭状回位于颞叶内侧表面，是进行面部识别的部位。
损伤这个区域会导致卡普格拉综合征，患者无法认出他人的面孔，即使他们还能认出声音——甚至无法在镜子中认出自己。一种较罕见的综合征，称为卡普格拉妄想，是患者认为亲人被冒名顶替者替换了。拉马钱德兰和布莱克斯利 (1997) 推断这种奇怪的疾病可能是由于梭状回和杏仁核之间的连接部位局部受损，因此患者在看到亲人时不会体验到正常的感情反应。由于缺乏这种正常的反馈，大脑皮层推断他们看到的人不是他们爱的人。
大脑皮层在解释来自周围神经系统的数据时也难以重组其电路，当这些数据停止到达时。在截肢后，患者可能会继续生动地感受到其想象中的存在，称为幻肢。她知道肢体不存在，但仍然会接收到其想象存在的有力感觉体验，因为尽管肢体不再存在，但它曾经连接到的神经纤维仍然完好无损，并通过其他连接受到刺激。任何曾经截肢过瘫痪但疼痛的肢体的人，后来可能会体验到患有瘫痪的幻肢，并伴有相同的疼痛，因为大脑已经学会了患有疼痛性瘫痪肢体的感受，这种习得的信念即使在肢体本身不再存在后仍然存在。为了帮助患有这种疾病的患者忘记错误的信念，拉马钱德兰想出了一个主意，用一个带有镜子的盒子，给他一个虚拟的胳膊。病人把正常的手放在镜子旁边，这样当他看到盒子时，他看起来就像有两只手。当被要求移动正常的手时，他会产生一个虚幻的另一只手也在移动的错觉。他知道这不是真的；他知道这只是一个镜面反射，但它是一种生动的感官体验。经过几个星期的反复练习，这种视觉反馈在他的大脑中建立了新的连接，绕过了产生疼痛感的旧电路。
因此，看到是一个将感知到的图像与现有信念结构相匹配的过程。但你不需要眼睛就能看到。当声音信号被发送到空气或水中等介质中时，如果它撞击物体，部分信号会反射回来。可以通过测量发送信号和接收反射声音或回声之间的时间来计算到物体的距离。反射物体的尺寸可以通过回声的传播来观察。任何有经验使用廉价“鱼探仪”的人都能在声呐图像视觉显示屏上区分海底产生的回声和鱼群产生的回声。鲸鱼和海豚使用主动声呐来识别水下物体并帮助寻找食物。这些海洋哺乳动物发出非常复杂的声音，例如频率扫描和一系列点击声，当这些声音反射回来时，它们会告诉它们有关目标的很多信息。
蝙蝠发出连续频率的闪光声波脉冲。一些蝙蝠从嘴巴发出声音，它们在飞行时张开嘴巴；另一些蝙蝠则通过鼻子发出声音。这些声音被环境中的物体反射，为每种类型的物体产生独特的“听觉功率谱特征”。通过识别特定猎物物种的特殊回声特征，蝙蝠可以将它们与背景听觉特征区分开来，包括树木等静止物体的反射。
蝙蝠的猎物是小型、快速移动的昆虫。蝙蝠仔细聆听返回的回声。蝙蝠的大脑会确定噪音返回所需的时间，并计算出物体有多远。蝙蝠还可以确定物体的位置、大小以及移动方向。蝙蝠可以通过比较声音到达右耳的时间和到达左耳的时间来判断昆虫是在右边还是左边：如果回声的声音在到达左耳之前到达右耳，那么昆虫显然是在右边。蝙蝠的耳朵有一个复杂的褶皱集合，可以帮助它确定昆虫的垂直位置。来自下方的回声会以不同于来自上方的回声的点撞击外耳的褶皱，因此在到达蝙蝠的内耳时听起来不同。
蝙蝠可以通过回声的强度来判断昆虫的大小。较小的物体将反射较少的声波，因此会产生较弱的回声。蝙蝠可以通过回声的音调来判断昆虫移动的方向。如果昆虫正在远离蝙蝠移动，返回的回声将比原始声音的音调低，而朝向蝙蝠移动的昆虫的回声将具有更高的音调。这种差异是由于多普勒效应造成的。（当声音是由运动物体产生或反射时，就会发生多普勒频移。）
一种蝙蝠使用调频回声定位 (FM)，而另一种使用恒频回声定位 (CF)。在这两种情况下，蝙蝠都会发出声音脉冲，并在两次脉冲之间倾听昆虫或合适猎物的回声。检测到目标后，脉冲速率会增加。当蝙蝠越来越靠近猎物时，这会提高信息更新的速度。蝙蝠执行的签名识别处理的一部分需要考虑运动的影响；当蝙蝠朝物体移动时，反射波会发生多普勒频移。如果物体包含移动的部分，例如飞蛾的拍打翅膀，这些部分也会影响多普勒频移的回声信号。当蝙蝠靠近一只飞蛾时，它会增加脉冲频率以获得更高分辨率的听觉图像，并避免发射信号和反射信号之间的干扰。蝙蝠执行非常复杂计算所涉及的神经过程究竟是什么，目前尚不清楚，但已经证明蝙蝠大脑的不同区域在（接近 - 捕获 - 离开）序列的不同阶段是活跃的。
数学家感兴趣的一个问题是弄清楚一个数学形式是否能够提出并回答任何问题——判定问题。也许对所有问题中最著名的贡献是库尔特·哥德尔 (1931) 的数学证明，它基本上得出结论说这个问题本质上是不可解的。他的形式主义导致了自相矛盾悖论的一个版本，这个版本是这样的：如果一个人说“我是在说谎”，那么如果他的陈述是正确的，它就必须是谎言，反之亦然。
艾伦·图灵 (1936) 意识到数学形式主义所能定义的内容与机器所能计算的内容之间存在着平行关系。为了做到这一点，他将计算的概念简化为最简单的要素：输入、过程、输出。他构思了一种抽象的计算模型，现在称为图灵机 (TM)，它由两个基本要素组成：一条长长的纸带，机器可以在上面一次读写一个符号，以及一个记录了处理纸带上符号的“思维状态”编号的寄存器。
每个状态包含一个单一的转换规则，它读取纸带上的符号，擦除它或在它的地方写一个符号（可以是同一个符号），将纸带向左或向右移动一个位置（或保持在原位），并指定要进入的下一个状态。由于寄存器中的每个状态都由其状态编号唯一标识，因此我们可以想象将它们串联在一起，形成自己的纸带。因此，TM 是一个符号串，它对另一个符号串进行操作。
图灵能够证明，仅仅使用这种简单的装置，他的想象中的自动机在理论上是完整的，从哥德尔考虑的类型的所有数学（递归）函数中，都有一个 TM 可以计算其函数，通过将说谎者悖论重新表达为一台机器的形式，当提供另一个机器的定义时，这台机器将进入无限循环，该机器将完成其计算并停止。然后，在将机器的副本馈送到自身时，它将停止，当且仅当它没有停止时。他的论文为随后大量将计算概念简化为最简单要素的努力奠定了基础，并且“图灵完备”一词进入了教科书。
几年后，图灵提出了一个问题：“机器能思考吗？”（图灵，1950）。在那时，人们还没有对思考究竟是什么有一个明确的定义，但当时，就像现在一样，人们普遍认为思考是大脑可以做的事情。我们可以反过来问图灵的问题，而是问：大脑能计算吗？从某种意义上说，这是一个微不足道的问题——因为第一台计算机是人，他们一定能够做到！但由于数学家在判定问题上付出了如此多的努力，我们也许应该询问生物大脑是否图灵完备，即使只是为了完整起见。
老鼠的大脑是由神经元组成的，神经元通过突触相互通信。神经元和突触的生物化学很复杂，但它们的基本功能很简单——本质上，神经元的树突通过突触接收化学信息，这些信息会打开离子通道，这些通道会共同在接收器中产生电势，如果电势足够大，就会在接收器神经元的轴突中诱发脉冲（动作电位尖峰）。连续的激发会导致连续的脉冲。我们可以将轴突上的脉冲频率视为它所携带的信号（Wilson & Cowan 1973）。但就目前而言，考虑只有两个极值 0 和 1 比较方便。
在下图中，神经元被抽象地描绘成一个椭圆形，椭圆形上有一条线（它的轴突）伸出来。轴突有多个末梢，每个末梢都可以与不同的接收器神经元（或与同一个接收器的不同树突）突触连接。兴奋性突触被描绘成箭头，抑制性突触被描绘成一个小圆圈。
假设接收神经元的激活阈值为 1，我们可以用两个突触构建一个反相器，如图所示。上面的输入神经元向一个兴奋性突触发送一个恒定的脉冲（1），下面的神经元向一个抑制性突触发送一个可变信号 A（可以是 1 或 0）。如果 A=1，抑制性突触会抵消兴奋性突触的效果，接收神经元不会产生脉冲。如果 A=0，则没有抑制性效果，接收神经元会产生脉冲。无论哪种情况，接收神经元中产生的信号都是 ~A，即 A 的反转。
突触可以通过多种方式配置来执行逻辑运算；例如，构建一个 AND（&）函数的一种方法是将两个输入都设为兴奋性，并将接收神经元的激活阈值设为 2。
构建 AND 函数的另一种方法是，向抑制性突触添加一个第三个恒定输入，并将接收神经元的激活阈值设为 1；抑制性突触和激活阈值共同作用，阻止接收神经元在除两个输入均为 1 以外的所有输入组合中产生脉冲。
任何两个位的函数都可以通过 NOT 和 AND 函数的组合来计算，这里展示了一种构建 NAND 函数的方法。正如前面提到的，任何位数的函数都可以通过这些基本构件构建。
因此，我们可以得出结论，任何可计算的函数都可以由神经网络计算。当然，这只是理论上的！在实践中，物理网络的功能受其规模的限制。人脑大约有 1000 亿个神经元，蜜蜂有 95 万个，而海兔（一种海蛞蝓）只有 2 万个就足够了（Chudler，2008）。
老鼠和海兔有大脑，但细菌没有。它们没有神经元和突触，它们的大小只有单个神经元的百分之一。人们很容易想象它们完全愚蠢，无法进行任何类似计算的操作。但这种想法是错误的。
细菌也能进行计算——它们像有感知力的机器人一样在化学场中航行，对到达其膜上的受体的化学信息的“气味”做出合理的反应。它们也能适应环境。暴露在高温环境下的细菌会制造额外的伴侣蛋白（McCallum 和 Inniss，1990），以保护它们免受未来热力学遭遇的压力。
蛋白质是由最多 20 种不同的氨基酸链组成的长链，通过其组成原子的吸引力和排斥电磁力折叠成特定的形状。蛋白质折叠可能会受到热量的负面影响；伴侣蛋白的作用是防止新形成的蛋白质发生错误折叠。正如这句话是由字母和其他符号组成的字符串一样，蛋白质是由氨基酸字符串表达的化学信息——20 种不同的氨基酸就是组成蛋白质信息的 20 种不同的符号。
蛋白质由核糖体按照核糖核酸（RNA）提供的处方制造——这是我们所知的生命的所有公式。RNA 是由 4 种不同的核苷酸组成的链（聚合物）：腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶，通常用它们的缩写 A、C、G 和 U 表示。三个核苷酸的组合被称为密码子，因为它编码了特定氨基酸的处方。
这种编码是明确的——每个三联体编码一个且仅编码一个氨基酸，但它是冗余的，因为同一个氨基酸可能有多个编码。例如，序列 CAU 和 CAC 都编码一个名为组氨酸的氨基酸。从四种不同的东西中取出三个，共有 64 种可能的排列组合，它们编码了蛋白质中存在的 20 种氨基酸。这个密码的起源尚不清楚，但它可能是从更简单的形式进化而来的。
真核细胞的基因组存储在染色体中，每条染色体都是一条脱氧核糖核酸（DNA）分子，它是一条双链的配对核苷酸链，可能是从 RNA 进化而来的（Leon，1998）。DNA 使用尿嘧啶的甲基化形式，称为胸腺嘧啶（T）；而尿嘧啶可以与任何其他核苷酸结合，T 只与 A 结合（配对）。C 也只与 G 配对。配对、其糖磷酸骨架的脱氧以及甲基化使得 DNA 疏水且对大多数酶的关注无动于衷，使其能够作为其核苷酸序列编码的信息的长期记忆。
温度变化或其他原因（例如分子到达细胞膜）会促使基因组表达基因，将自身适当部分的信息内容转录成 RNA（称为信使 RNA 或简称 mRNA），其中包含它要制造的蛋白质的配方。人类基因组中有两种主要的基因类型：非编码 RNA 基因和蛋白质编码基因。
非编码 RNA 基因占总基因的 2-5%，编码功能性 RNA 分子。这些 RNA 中的许多参与基因表达的控制，尤其是蛋白质合成。它们没有整体保守的结构。
将 mRNA 翻译成蛋白质的工作是由核糖体完成的，核糖体沿着 mRNA 信息移动，将其上的每个密码子（核苷酸三联体）与由 DNA 的另一条链制成的氨酰-tRNA 分子库匹配。匹配过程会导致氨基酸与其 tRNA 伴侣分离，并与正在组装的多肽链（蛋白质）的末端结合。同时，tRNA 和 mRNA 的匹配不会导致持久结合，因为核糖体将它们分解成组成部分以进行回收。
核糖体本身由 RNA 和蛋白质构成。因此，核糖体也是一个符号字符串——一个相当长的字符串，由 264 万个原子组成（lanl，2005）。因此，核糖体是一种由符号字符串（RNA 和蛋白质）制成的机器，它读取核苷酸符号字符串（mRNA）并写入氨基酸符号字符串（蛋白质）——就像图灵机一样。
Shapiro（1999）意识到，“活细胞内某些生物分子机器的基本操作——识别分子构件、生物聚合物分子的切割和连接以及沿聚合物的移动——原则上都可以用来构建基于图灵概念机器的通用计算机”。他将这个想法沿用到了实际应用中：“我们已经成功地创建了一个由 DNA 和蛋白质组成的生物自动机，能够在试管中诊断某些癌症的分子症状，并通过释放治疗性分子来“治疗”疾病。”（Shapiro 和 Benenson，2006）。
理论上，可以制造一台类似核糖体的机器来计算图灵机所能计算的任何函数；也就是说，任何可以通过任何机器定义的函数——任何计算机，即使是最强大的超级计算机。原则上，可以制造出一台能够打败世界象棋冠军、写出像《哈利波特》一样迷人的故事、作曲以及策划在股市上赚钱的巧妙方法的核糖体计算机——所有这些都在同一时间完成！
但这仅仅是理论上的。在实践中，核糖体能够计算什么和不能计算什么受到其物理尺寸的限制。但这对大脑来说也是如此。人脑有 1000 亿个神经元，每个神经元至少比细菌大 100 倍，而细菌又比核糖体大 100 倍。考虑到一个核糖体所能完成的所有非凡的计算，想象一下，如果 100 x 100 x 1000 亿个核糖体一起工作，它们能计算出什么……
乍一看，叠层石和人似乎是截然不同的东西。叠层石——原核生物群落——是地球上已知的最古老的生命形式，可以追溯到 30 亿年前（Allwood 等人，2006），而人类是进化中最新出现的真核生物，直到大约 29.95 亿年后才作为独立的物种出现（Kumar，2005）——从这个角度来看，我们最古老的人类祖先仅仅在昨天从树上掉了下来！
尽管从叠层石诞生到我们来到这个星球上经历了漫长的时间，但我们和它们有一个共同的关键点：我们的生命配方是由脱氧核糖核酸（DNA）的信息内容编码的，DNA 包含在一个原核细菌的单条染色体中，以及我们体内每个真核细胞核内的多条染色体中。
如果任其自生自灭，DNA 就会静静地待在那里，什么也不做。其双螺旋的核苷酸相互配对，使分子处于惰性状态，对经过的任何其他分子都基本上没有反应。通过这种方式，它能够充当永不降解的永久记忆，即使在数百万年中也是如此，尽管它可能受到诸如氧化剂、烷化剂以及紫外线和 X 射线等高能电磁辐射等诱变剂的破坏。在人类细胞中，不同的染色体占据着称为“染色体区域”的核中不同的区域。
类固醇激素通过首先穿过靶细胞的细胞膜，在细胞内引起变化。类固醇激素与非类固醇激素不同，它们可以做到这一点，因为它们是脂溶性的。细胞膜由磷脂双层组成，阻止脂不溶性分子扩散到细胞内。
一旦进入细胞，类固醇激素就会与靶细胞的细胞质中仅有的特定受体结合。然后，受体结合的类固醇激素进入细胞核，并与染色质上的另一个特定受体结合。一旦与染色质结合，这种类固醇激素-受体复合体就会通过称为转录的过程，调用信使 RNA (mRNA) 分子的产生。然后，mRNA 分子被修饰并运送到细胞质中。mRNA 分子通过称为翻译的过程编码蛋白质的产生。（电影）。
类固醇激素是胆固醇的衍生物，包括肾上腺皮质、卵巢和睾丸的产物，以及相关分子维生素 D。与蛋白质/多肽激素不同，类固醇激素不会大量储存。在需要时，它们通过一系列酶促反应从胆固醇中迅速合成。快速合成类固醇激素所需的大部分胆固醇储存在起源组织的细胞内。在响应适当信号时，前体被转移到细胞器（线粒体和平滑内质网），在那里一系列酶（例如，异构酶、脱氢酶）迅速将分子转化为相应的类固醇激素。因此，最终的类固醇产物的身份由该组织中表达的酶组决定。
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老鼠在基因上与人类的亲缘关系比你想象的要近——“事实上，几乎每个人的基因似乎在小鼠基因组中都有一个对应物”（人类基因组计划，1996）。如果我们想象人类 23 对染色体的基因被重新组织成更小的区块，这些区块就可以被重新组合，以产生一个老鼠基因组的模型，如图 5-12 所示。
由于小鼠和人类基因组同源性，人类染色体上的一个基因通常可以准确预测相关基因在小鼠中的位置，反之亦然。例如，小鼠的一种致命性遗传性肌肉疾病映射到小鼠 X 染色体上的一个位置，该位置与 X 连锁的人类杜氏肌营养不良基因的映射位置非常类似 - 这两种类似的疾病是由小鼠和人类版本的相同基因引起的；小鼠和人类基因产生的蛋白质以非常相似的方式发挥作用，并且显然是相应物种正常肌肉发育和功能所必需的。同样，发现一种与色素沉着、繁殖和血细胞缺陷相关的小鼠基因，是揭示人类疾病（称为花斑性状）基础的关键。由于这些密切的人鼠关系，以及转基因技术的优势，小鼠在识别新的基因、破译其复杂功能，甚至治疗遗传疾病方面具有巨大潜力。（人类基因组计划，1996 年）。
真核生物基因组以染色体形式存在，染色体成对出现。每对中的每个成员都包含有关如何构建相同蛋白质产品的的信息。每对中的一个成员来自母亲，另一个来自父亲。人类有 22 对常染色体和 1 对性染色体：女性为 XX 染色体，男性为 XY 染色体。个体的基因型由个体在染色体基因座上的等位基因决定 - 表型是基因型的可观察表达。例如，具有一个 A 等位基因和一个 O 等位基因的基因型在 ABO（血型）基因座上的表型将是血型 A。在 23 对染色体上大约有 30,000 个遗传基因座；许多基因座参与指定蛋白质的形态。例如，血红蛋白分子 β 基因的基因座位于 11 号染色体短臂的末端，α 基因的基因座位于 16 号染色体短臂的末端。同样，一个性状的表达取决于不同染色体上的多个基因座。例如，血型基因座位于 9 号染色体上，而 Rh 血型基因座位于 1 号染色体上 - 血型是这两个因素的函数。
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原核生物通过裂变、转化和转导进行繁殖。在二元裂变过程中，单个 DNA 分子复制，两个副本都附着在细胞膜上。细胞膜开始在两个 DNA 分子之间生长。一旦细菌的大小加倍，它的细胞膜就开始向内收缩。然后，细胞壁在两个 DNA 分子之间形成，将原始细胞分裂成两个相同的子细胞。
细菌通过裂变繁殖：其单个染色体复制，两个副本都附着在细胞膜上。然后，细胞膜开始在两个基因组之间生长。一旦细菌的大小加倍，它的细胞膜就开始向内收缩。然后，细胞壁在两个染色体之间形成，将原始细胞分裂成两个相同的子细胞。
在结合过程中，一个细菌通过称为菌毛的蛋白质管结构连接到另一个细菌。基因通过该管从一个细菌转移到另一个细菌。细菌能够通过结合横向转移质粒基因，在结合中，一个细菌通过称为菌毛的蛋白质管结构连接到另一个细菌，质粒通过该管转移。
一些细菌能够从环境中吸收 DNA。这些 DNA 残骸最常见来自死亡的细菌细胞。在转化过程中，细菌结合 DNA 并将其转运穿过细菌细胞膜。然后，新的 DNA 被整合到细菌细胞的 DNA 中。
转导是一种重组类型，它涉及通过噬菌体交换细菌 DNA - 感染细菌的病毒。一旦噬菌体附着在细菌上，它就会将其基因组插入细菌。然后，病毒基因组、酶和其他成分在宿主细菌中复制和组装。新形成的噬菌体然后裂解（裂开）细菌，释放出新的病毒。在组装过程中，宿主细菌的一些 DNA 可能被包裹在病毒衣壳中而不是病毒基因组中。当这种噬菌体感染另一个细菌时，它会注入来自先前细菌的 DNA 片段。然后，该 DNA 片段被插入新细菌的 DNA 中。这种类型的转导称为广义转导。在专门的转导中，宿主细菌的 DNA 片段被整合到新噬菌体的病毒基因组中。然后，DNA 片段可以转移到这些噬菌体感染的任何新的细菌中。
同源基因
同源基因控制生物体的发育。Nüsslein-Volhard 和 Wieschaus（1980）确定并分类了 15 个基因，这些基因在确定果蝇黑腹果蝇的体型和体节形成方面至关重要。胚胎发育受三个功能性同源基因群体的控制：（1）间隙基因为头尾轴上的粗略体型奠定了基础，（2）配对规则基因控制每隔一个体节的形成，（3）体节极性基因细化了每个体节的头尾极性，这意味着体节的头端和尾端看起来不同。
果蝇的同源基因与其他脊椎动物（包括人类）的同源基因同源。实际上，可以将人类的同源基因转移到果蝇的胚胎中，在那里它可以执行相应果蝇基因通常执行的一些功能。
在人类中，血清素转运蛋白启动子区域的常见遗传变异（SERT 长和短等位基因：5-HTTLPR）已被证明会影响成年人丘脑几个区域的发育。遗传了两个短等位基因（SERT-ss）的人在丘脑枕部和可能丘脑的边缘区域有更多神经元和更大的体积。丘脑的扩大为为什么遗传了两个 SERT-ss 等位基因的人更容易患上重度抑郁症、创伤后应激障碍和自杀提供了解剖学基础。
大脑对周围世界发生的事情以及它所居住的生物体世界发生的事情进行数学建模。该模型在物理上被组织成三个子系统：前脑、中脑和后脑，每个子系统执行一类特定的功能。这些主要部门层层叠叠，很可能是进化发展的结果（麦克莱恩，。
后脑（与爬行动物共享）由脑干结构组成 - 延髓、脑桥、小脑、中脑、苍白球和嗅球。它是三者中最古老的，它控制着维持生命的身体重要功能，例如心率、呼吸、体温平衡。中脑或边缘系统，包括海马体、杏仁核和下丘脑，存在于哺乳动物中。它负责人类所谓的“情绪”，并且是我们在无意识中做出的价值判断的中心，这些价值判断对我们的行为具有强烈的影响。前脑或皮质是语言、理性、想象力和自我意识的所在地。皮质分为左右半球，由胼胝体 200,000 条神经纤维连接模板：修复/类别[检查拼写]。大脑左半球控制身体右侧，大脑右侧控制身体左侧。右脑更注重空间、抽象、音乐和艺术，而左脑更注重线性、理性、言语，尽管在进行过半球切除术的人身上，任一侧都可以承担另一侧的功能。
心痛、胃部绞痛、腰部发麻、眼睛发光、兴奋的颤抖 - 这些躯体感觉是大脑对身体正在发生的事情的感知，基于通过脊髓的传人神经高速公路发送给它的信号。
在脑干核心，网状结构核接收来自身体感觉系统和大脑其他部位（如小脑和大脑半球）的输入，并将它们传递到丘脑。上行网状激活系统 (RAS) 途径起源于脑桥腹侧（靠近中脑）第四脑室周围的一组神经元。这些神经元中的大多数是乙酰胆碱能的，并投射到丘脑，控制着门户是否打开或关闭。关键在于乙酰胆碱的作用。乙酰胆碱本身不能激活或关闭丘脑神经元。相反，它使它们变得敏感。通过轻微去极化丘脑神经元（它通过关闭一个超极化钾通道来做到这一点），上行系统可以使丘脑对感觉输入更敏感。这种情况对应于清醒的警觉状态。
RAS 对学习、自我控制、抑制、注意力和动机至关重要。当 RAS 正常运作时，它会提供神经连接，这些连接对于信息的处理和学习以及集中注意力于正确任务的能力是必不可少的。额叶帮助我们集中注意力于任务，集中注意力，做出明智的决策，提前计划，学习并记住我们所学到的东西。来自前额叶皮层到大脑其他区域的谷氨酸通路由多巴胺和去甲肾上腺素介导。据说大脑的 70% 是用来抑制另外 30% 的；皮层的抑制机制使我们免于过度活跃，避免说错话，以及避免在不适当的时候发怒。RAS 去甲肾上腺素缺乏与注意力缺陷多动障碍 (ADHD) 的症状相关，ADHD 患者表现出更多的 θ 波和 α 波脑电波活动，表明大脑皮层缺乏控制；患者表现出冲动行为、脾气暴躁、决策能力差和多动等症状。大量神经元同步放电异常升高会造成一种称为癫痫的疾病，表现为抽搐运动和/或意识丧失（小发作），或者更严重，导致抽搐和意识丧失（大发作）。海马体是所有皮层区域中发作阈值最低的区域，海马体神经元丢失在癫痫患者中很常见。
关于外部环境的信息，由所有感官感知，除了嗅觉系统，从 RAS 通过丘脑路由到皮层，丘脑位于脑干的顶部。丘脑也接收来自它传递信息的皮层部位的信号，这表明它根据正在感知的信息对新数据进行一些过滤或预处理。
来自孤束核到边缘系统（下丘脑、岛叶和杏仁核）的投射被认为解释了味觉和情绪之间的行为关系。
- 请问有人可以格式化这个表格吗？
| 输入 | 来自 | 通过丘脑核 | 到 |
|---|---|---|---|
| 视觉 | 眼睛 | 外侧膝状体 | 枕叶 VI |
| 听觉 | 耳朵 | 内侧膝状体 | 下丘 |
| 本体感觉 | 骶骨、腰椎和下胸椎 | 薄束核 | 中央后回 |
| 本体感觉 | 上胸椎和颈椎 | 楔束核 | 中央后回 |
| 味觉 | 舌头 | 孤束 | 边缘系统 |
| 触觉 | 脸 | 后内侧 | |
| 温度，疼痛 | 脸 | 腹后内侧 | |
| 温度，疼痛 | 脊柱 | 后部、腹后外侧、板内核、网状结构 | 导水管周围灰质 |
丘脑在不同的意识状态下表现不同。清醒时，背外侧膝状体核 (LGN) 的谷氨酸受体接收来自视神经的信号并将其传递到视觉皮层 V1，由皮层反馈介导。但在睡眠期间，传递功能被抑制，LGN 表现出节律性活动。丘脑神经元上的清醒/睡眠“开关”是乙酰胆碱和一氧化氮 (NO) 受体，它们接收来自臂旁复合体 (PBR) 的信号。PBR 投射的胆碱能成分的激活将传递细胞从爆发模式转变为强直模式发射。神经元一氧化氮合酶 (nNOS) 是一种钙依赖性酶，产生 NO，它包含在 PBR 的突触前末端场内。与慢波睡眠相比，清醒和快速眼动 (REM) 睡眠期间释放的 NO 水平更高 (Alexander 等人，2006)。
血清素是由氨基酸 L-色氨酸通过由两种酶组成的短代谢途径合成的：色氨酸羟化酶 (TPH) 和氨基酸脱羧酶 (DDC)。卵巢激素会影响各种物种中 TPH 的表达，这表明了产后抑郁症和经前期紧张综合征的可能机制。
大约 10% 的结合的神经递质在受体结合释放时被破坏；另外 90% 被自由释放并通过单胺转运蛋白被突触前神经元重新摄取。
与非抑郁症对照组相比，抑郁症患者的尾侧中缝核和吻侧中缝核的血清素传递均减少。减少血清素的再摄取是治疗抑郁症的治疗方法之一。选择性血清素再摄取抑制剂 (SSRI) 使其停留在突触间隙，因此它被接收细胞的受体反复识别。SSRI 通常被用于治疗焦虑症，例如社交焦虑症、惊恐症、强迫症、进食障碍、慢性疼痛，偶尔也用于治疗创伤后应激障碍、肠易激综合征、慢性单纯性苔藓和早泄。
但防止再摄取也会使突触前神经元的自身受体泛滥，自身受体为其提供反馈。神经元通过降低自身受体的敏感性逐渐适应增强后的反馈，这反过来又会降低突触前血清素的产生，因此会对 SSRI 产生依赖。SSRI 也已被证明会降低胎儿生长。
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在小鼠和大鼠的研究中，Gillum 等人 (2008) 发现一种名为 N-酰基磷脂酰乙醇胺 (NAPE) 的化学信使在动物食用油腻食物后在小肠中产生。NAPE 穿过血脑屏障，并在下丘脑中浓缩，下丘脑是大脑中控制饥饿的特定区域。用额外 NAPE 治疗五天的大鼠吃得更少，体重减轻，暗示研究 NAPE 可以帮助研究人员设计更好的食欲抑制剂或肥胖药物。
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Beauregard (2007) 研究了人们体验情绪时的大脑活动的磁共振成像，并得出结论：“意识和无意识的心理过程/事件，它们在神经上是基础的，根据特定的代码被选择性地转化为大脑组织不同层次的神经过程/事件（生物物理、分子、化学、神经回路）。反过来，产生的神经过程/事件被转化为其他生理系统中的过程和事件，例如免疫系统或内分泌系统”。其他神经元监测体内发生的事情，形成一个反馈系统。
感觉的“感觉”是认知对初始感知的反应以及对躯体反馈信号的意义的感知的结合。在幻肢的情况下，连接到肢体的传入神经在残肢中形成了新的终点，这些终点感知刺激并将其传递到大脑，大脑认为信号仍然来自现在不存在的肢体。一位实验者发现，刺激面部的各个区域会导致一个无肢患者想象她的幻肢手指正在移动——她曾经处理肢体信息的皮质神经元已经与附近的传入神经元连接在一起。在硅芯片上培育神经元的实验发现，生长的神经元会寻找电磁活动以连接在一起。因此，在截肢者的脑中，当曾经被肢体效应器激活的神经元不再受到刺激时（因为肢体消失了），它们就会转向其他邻居以获得一些活动……这是一种无指导的学习。
在人类中，生殖本能在意识层面表现为我们称为欲望和爱情的情绪。但欲望和爱情是什么，它们是如何产生的？这个看似简单的问题并没有简单的答案。
基于他对一种名为三刺鱼的淡水鱼的研究，Tinbergen (1951) 发现了动物行为的基本原因，如下图所示。
所有行为，包括身体运动、瞳孔放大和声带振动产生声音，都是身体细胞之间复杂级联计算的外部输出。动物的细胞配置和信号机制源于其个体发育（生长），其核心是受动物基因组表达的指令控制的细胞分裂过程，在近端影响的背景下。
我们称之为感觉的是大脑对身体对外部或内部刺激的一系列反应的感知。例如，当一个人感到爱时，催产素水平会升高，但爱本身的感觉是躯体感觉。爱情和单恋是身心状态。诗人对心碎的痛苦大加赞扬。这种隐喻可能反映了哺乳动物大脑中的真实事件；社会排斥带来的痛苦所激活的区域也是身体疼痛所激活的区域（Panksepp，2003）。
对体验情绪的人的研究发现，所感受到的情绪类型与血液中某些激素的浓度之间存在相关性，这些激素是内分泌系统的化学通讯网络，也是将营养物质和废物输送到细胞并从细胞中带走的途径。例如，兴奋与肾上腺素水平相关，爱情的感觉与催产素水平相关。肾上腺素由肾上腺分泌，它向肝细胞发出信号，合成葡萄糖并将其释放到血液中，以便输送到全身的细胞中，细胞利用它作为其代谢反应的能量来源。催产素在下丘脑产生，它具有与结合和信任行为相关的各种身体效应。
在周围神经系统中，乙酰胆碱激活肌肉，并且是自主神经系统中主要的递质。当乙酰胆碱与骨骼肌纤维上的乙酰胆碱受体结合时，它会打开细胞膜中的配体门控钠通道。然后钠离子进入肌肉细胞，刺激肌肉收缩。乙酰胆碱虽然诱导骨骼肌收缩，但会抑制心肌纤维的收缩。这种区别归因于骨骼肌纤维和心肌纤维之间受体结构的差异。
在大脑中，乙酰胆碱通路形成胆碱能系统，该系统从脑干和基底前脑延伸到中脑和皮层。它参与记忆和学习的调节——正是这个系统在阿尔茨海默病中退化。乙酰胆碱已被证明可以增强许多区域（包括齿状回、CA1、梨状皮层和新皮层）长期增强后的突触电位的振幅。它也参与唤醒和奖励。ACh 在我们醒来时增强感觉知觉和维持注意力方面发挥着重要作用。
乙酰胆碱受体 (AChR) 主要分为两类：烟碱型乙酰胆碱受体 (nAChR) 和毒蕈碱型乙酰胆碱受体 (mAChR)，其名称源于用于激活受体的配体。烟碱型 AChR 属于离子型受体，对钠、钾和氯离子具有通透性。它们受尼古丁和乙酰胆碱刺激。主要分为两种类型：肌肉型和神经元型。前者可被箭毒选择性阻断，后者可被六甲双胺阻断。烟碱型 AChR 主要分布在肌肉终板、自主神经节（交感和副交感神经）和中枢神经系统。
尽管尼古丁可以与多种组织中的多种受体相互作用，但它与大脑中特定受体的相互作用产生了与吸烟相关的依赖性。在中脑中，尼古丁与α4β2 烟碱型乙酰胆碱受体相互作用。乙酰胆碱是这种受体的天然配体。然而，尼古丁也是乙酰胆碱受体的激动剂，对α4β2 受体具有更高的亲和力。这些受体位于突触后神经元，由两个α4 亚基和三个β2 亚基组成，形成一个通道，用于通过膜转运离子。
当两个尼古丁分子或其他配体与离子型受体内的结合位点结合时，离子通道被激活。观察受体内部，我们发现它是关闭的，但配体激活触发通道打开，以允许钙、钠和钾离子通过。这会产生动作电位，传递到大脑的奖励区域。在这里，脉冲刺激包括多巴胺在内的神经递质的释放。多巴胺触发额外的信号事件，刺激奖励回路，产生短暂的幸福感、注意力集中和情绪改善。每次使用烟草时，多巴胺水平都会飙升。然而，尼古丁的消除速度很快，导致多巴胺水平下降。结果：渴望更多尼古丁。
随着持续使用，α4β2 烟碱型受体经历复杂的适应性变化，包括上调和脱敏。随着时间的推移，这些变化和其他下游变化导致对尼古丁刺激的需求更强，以获得吸烟带来的奖励。
- http://pharmamotion.com.ar/video-molecular-mechanism-nicotine-addiction/
行为科学家已经探索了爱情的生物学根源，以及决定爱情感受和行为的心理因素。神经递质的作用与主要的思维和情绪障碍有关。许多用于治疗抑郁症或精神分裂症等疾病的药物作用于这些化学物质的突触。迹象表明，特定神经递质的广泛作用参与了爱情的感受和思想。
多巴胺被认为可以提高注意力、动机和目标导向的行为。过量会导致欣快感、精力充沛、活动过度、失眠、食欲下降、成瘾症状、焦虑和恐惧。在一定程度上，浪漫爱情中的狂喜感可能与这些症状有关，可能是多巴胺的作用。去甲肾上腺素也可能导致欣快感、过度精力充沛和食欲下降。血清素与突触中水平过低时的抑郁症有关。一些抗抑郁药物，例如百忧解，可以增加突触中血清素的水平。血清素水平下降也与强迫症有关。恋人们经常会痴迷地想着他们的爱人。他们无法停止他们飞速的思绪。虽然爱情中的化学作用提出了一种有吸引力的假设，但它尚未得到证实。
爱情的解剖结构位于大脑的神经中枢。这些中心与控制动机和情绪的边缘系统相连。大脑的疼痛和快乐中心也是这种复杂的神经机制的一部分。这些中心负责性欲和感情。内啡肽在爱情过程中可能扮演着重要的角色，内啡肽是由大脑产生的化学物质，类似于吗啡，可以增加快乐感和减少疼痛。其他类似于安非他明的脑部化学物质被认为可以控制我们恋爱时的“兴奋”体验以及爱情失败时的“崩溃”。
斯托尼布鲁克大学的海伦·费舍尔研究了刚刚陷入热恋的人。被试者看到了他们爱人的照片，以及情书、音乐磁带和香水，这些东西使他们想起他们爱的人。被试者完成了问卷，并转动一个旋钮以指示他们浪漫感情的强度。这些结果与他们对其他人照片的反应进行了比较。他们的反应证实，照片和其他物体可以引发激情。与他们的爱人无关的物体不会引起这种感觉。在爱人刺激和非刺激情况下，对被试者进行了核磁共振扫描。当爱恋中的被试者看到他们爱人的照片时，许多大脑区域变得活跃。有两个大脑区域最为突出。第一个是尾状核，一个位于大脑中心附近的 C 形区域，是大脑最原始区域的一部分。该区域被发现是大脑奖励机制的一部分。它对于检测和区分奖励并提供愉悦感至关重要。它会产生动机和行动，以获得首选的奖励。被试者感觉越强烈，尾状核的活动就越强。第二个活跃的区域称为腹侧被盖区 (VTA)。它也是大脑奖励回路的重要组成部分。更重要的是，它是多巴胺生成细胞的中心。从这个区域，神经纤维将多巴胺分布到许多其他大脑区域。多巴胺负责欣快感。虽然许多其他区域也可能活跃，但费舍尔的发现强调了大脑网络和大脑化学物质在产生浪漫爱情感中的重要性。
血清素是由氨基酸 L-色氨酸通过由两种酶组成的短代谢途径合成的：色氨酸羟化酶 (TPH) 和氨基酸脱羧酶 (DDC)。卵巢激素会影响各种物种中 TPH 的表达，这表明了产后抑郁症和经前期紧张综合征的可能机制。
大约 10% 的结合的神经递质在受体结合释放时被破坏；另外 90% 被自由释放并通过单胺转运蛋白被突触前神经元重新摄取。
与非抑郁症对照组相比，抑郁症患者的尾侧缝核和吻侧缝核的血清素传递减少。
减少血清素再摄取是治疗抑郁症的治疗方法之一。选择性血清素再摄取抑制剂导致它停留在突触间隙中，因此它被受体细胞的受体反复识别。SSRI 经常用于治疗焦虑症，例如社交焦虑症、惊恐障碍、强迫症、进食障碍、慢性疼痛，偶尔用于治疗创伤后应激障碍、肠易激综合征、慢性单纯性苔藓和早泄。
但防止再摄取也会使突触前神经元的自身受体泛滥，自身受体为其提供反馈。神经元通过降低自身受体的敏感性逐渐适应增强后的反馈，这反过来又会降低突触前血清素的产生，因此会对 SSRI 产生依赖。SSRI 也已被证明会降低胎儿生长。
思维方式
[edit | edit source]我们的记忆是联想的。一件事导致另一件事，一个想法导致另一个想法。如果没有联想，我们不会享受流畅的思想或对话；我们不会想起任何事情。
经验是最好的老师 - 在特定情况下对行动结果的反馈会修改现有的信念结构，并在再次面对相同情况时创造新的行为。能够从经验中学习是智力的标志之一。我们对世界和我们自己的理解是个人经验的结果。这种经验包括主观观察和通过各种媒介（如对话、书面文本、电视等）传递给我们的信念的吸收。
信念形成是一个学习过程，一旦形成的信念就会成为记忆。在大脑中，记忆通过神经网络的配置来表达。当我们记住一种体验时，我们的大脑会对网络进行物理上的改变：“短期记忆的形式……表现为现有连接有效性的改变……长期记忆的形式通常与新的突触连接的生长有关”（Hawkins et, 2006）。物理变化会在神经元及其突触实施的操作规则中产生功能性变化。这些规则表达了信息是如何解释的，进而决定了采取哪些行动（例如肌肉运动），从而创造行为：“规则源于偶然性，偶然性指定了辨别刺激、反应和结果”（Skinner, 1984）。
边缘系统负责诸如情绪、本能/基本驱动力、动机、情绪、快乐/痛苦、嗅觉和记忆等。海马体（之所以得此名称是因为它的形状让早期的解剖学家联想到海马）被认为可以介导情景记忆和空间记忆的构建，这使你能够通过重新激活皮层中形成的记忆来“回放场景”。众所周知，涉及情绪反应的体验更容易记住；海马体可能是由情绪激活的，并充当守门员，决定是否应该强化短期皮层记忆以将其转变为长期记忆。海马体接收来自血清素、去甲肾上腺素和多巴胺系统、丘脑核团 reuniens 以及来自隔区内侧的胆碱能和 GABA 能信号的调节输入。
内嗅皮层充当海马体与大脑其他部分之间的主要“接口”。在海马体内部，信息流很大程度上是单向的，如示意图所示。
海马体表现出两种活动模式。以规则波为特征的θ 节律出现在活跃行为和 REM（做梦）睡眠期间。在非 REM 睡眠期间以及动物休息或不与周围环境互动时，海马体表现出不规则慢波模式，偶尔会被称为尖波的大幅度波动打断。Wilson 和 McNaughton（1994）发现，当海马体位置细胞具有重叠的空间放电场（因此经常同时放电）时，它们往往会在行为训练后睡眠期间表现出相关的活动。“两阶段记忆”理论（Buzsáki, 1989）提出，记忆在行为过程中存储在海马体内，然后在睡眠期间转移到新皮层。然而，也有可能记忆是在皮层中形成的，而海马体通过其尖波充当记忆增强器。
程序记忆（例如骑自行车）似乎不涉及海马体，但似乎与小脑、基底神经节和运动皮层的改变有关，这些区域都参与运动控制（Dubuc, 2002）。
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小 E-coli 在她由化学场构成的世界中蠕动，没有神经网络的大脑，但她确实有记忆，这是从她母亲那里遗传的，她母亲在产下双胞胎女儿时死亡，这些女儿由她自己的身体和她在 20 分钟的寿命中从食物中制造的物质构成。她女儿对哪些化学物质适合食用以及哪些不适合食用的知识存储在她的基因组中，这是生命的魔法配方，告诉她如何制作她所有的身体部位，包括那些参与处理来自外部环境的信号的部位。
基因也告诉她如何以及何时生育自己的女儿，以及女儿自身的细胞膜、受体和转导器。她会将这些知识传授给女儿，就像她的母亲教导她一样，通过向每个女儿提供自己的基因组。基因组是细菌的“主记忆”，负责构建其所有的装置。细菌的女儿就像同卵双胞胎一样完全相同，但并不完全相同：“密切相关的原核生物菌株之间基因组内容的可变性是基因组学最显著的发现之一”（Cuadros-Orellana 等人，2007 年）。
过去人们认为，变异是由于繁殖过程中随机突变造成的，但自然并非随机。凡事皆有因果。细菌的一些疾病和畸形是繁殖过程中克隆不完善造成的，但这是由环境条件（以及可能存在的基因组“缺陷”）造成的；其他情况发生是因为不同的母亲有不同的学习经历，其中一些会改变它们的基因组：“受调节控制的特殊酶可以去除 DNA 片段，将片段从一个位置移动到另一个位置，颠倒片段的方向，或者插入外源片段”（McAdams 和 Arkin，1998 年）。这可以解释细菌如何一代一代地学会抵抗抗生素；这并非纯粹的随机突变带来的幸运，而是某些母亲能够发展出保护机制并将这种能力通过改变后的基因组遗传给女儿的结果。
细菌和病毒的种群会发生遗传漂变，那些学会抵抗真核免疫系统和医学实验室制造的抗原的后代能够在这些攻击中幸存下来，并最终在种群中占据主导地位。
故事是这样说的，一天晚上，一位压力山大的企业高管回家了。
“你看起来很累，亲爱的，”他的妻子说，“你要不要喝杯茶？”
“天哪！”这位高管怒吼道，“难道我必须在这里做所有决定吗？！”
喝茶还是不喝茶，这是一个问题。早在 18 世纪，杰里米·边沁就思考过这类问题，并提出了一种原则，后来被称为“效用理论”。他的想法是，决策者对每个备选方案结果的预期净值（效用）可以进行测量或计算，并进行算术比较，效用最大的那个方案将成为首选。这种一般性方法成为了“运筹学”的基础。
设 ut 为喝茶的计算效用，设 un 为不喝茶的计算效用。那么，如果 ut > un，则选择喝茶。
轴突丘的计算函数很容易用于这种算术判断。在本例中，假设效用可以以某种方式计算并沿着两条神经元 t 和 n 传递。神经元 t 与神经元 d 形成兴奋性突触，神经元 n 与 d 形成抑制性突触。如果来自 t 的兴奋程度足够超过来自 n 的抑制程度，达到 d 的增强阈值，则 d 中就会产生冲动。
只有我们学习和改变想法的能力才能让我们免受偏见带来的黑暗。然而，人类本性的一个奥秘是，那些天生具有学习能力的生物体为何能顽固地拒绝学习，并固执地坚持与所有可用证据相悖的信念，或者继续进行像吸烟这样的行为，这种行为会带来短期满足，但会以可预见的长期的死亡为代价。在人们对时间错位选择所做出的理性不一致的决定中，也能观察到同样的现象（Gilbert，2005 年）。一个可能的原因是，有意识的推理思维并非掌控者，而仅仅是受情绪驱动的潜意识的顾问——弗洛伊德（1923 年）称之为“自我”。
什么是意识？作为最不容易被科学理解的生物现象，它却是一个非科学家们对它毫无疑问的主题。他们只知道自己拥有它——而且大多数人同样相信，它是人类独有的东西。就像 19 世纪的宗教信徒坚信，人类与其他所有生物截然不同一样——即使达尔文出现并提出了相反的观点。正是这种导致人们相信自己比田野里的野兽更接近神的自我中心主义，驱使人们在今天断言，计算机或许能在国际象棋比赛中战胜他们，并且比他们更好地翻译语言，以及比他们更快地进行计算，但计算器件永远无法达到自我意识的神秘境界，仅仅因为他们无法想象这种事情是如何发生的。
但这种心态是人类中心主义的纯粹体现。我们可以采取不同的观点。然而，在面对个人自我和社会力量的反对时，不同的观点可能需要很长时间才能被接受。例如，大约公元前 400 年，毕达哥拉斯学派从昼夜规律推断出地球绕火旋转。我们不知道他们是否意识到这火就是他们在黎明时分看到升起，在黄昏时分看到落下的太阳。他们的理论遭到了柏拉图及其追随者的强烈反对，他们都是虔诚的地心说信徒。他们对社会的统治地位是如此之强，即使在 100 年后，阿里斯塔克斯（也许是看到了日食）制定了第一个太阳中心说的数学理论，他也被斥为怪人，沦落到默默无闻。再过 100 年，罗马帝国崛起，将地心说制度化，将其作为一种宗教教条，排斥科学，一直持续到 1500 年后的伽利略时代。但在过去大约 200 年里，科学的社会声望稳步上升，可能不需要再过 2000 年，目前普遍存在的“人不仅仅是一台智能塑料机器”的信念，也将像神话一样被载入史册。
像许多谜团一样，意识可能最好通过从侧向思维的方向来理解——通过考虑它的对应物：无意识和潜意识思维（不幸的是，美式英语并没有区分两者）。一个重拳击中头部，可以让拳击手倒在地上，无法进行自愿肌肉控制。他既听不见也看不见，对触碰没有反应，虽然他的心脏还在跳动，脑电图（EEG）也没有变平。他没有死，他被击晕了。他处于无意识状态。
电流通过导线会产生周围的电磁场。轴突上的电位也是如此。脑电图是神经元产生的不断变化的电磁辐射的图像，通过头皮电极拾取。随着麻醉剂量的增加，脑电图显示出更多的规律性，频率也会降低（Jordan 等人，2008 年）。
脑节律
δ 波：0.01 - 4 Hz δ 波活动在 N3 期慢波睡眠中最为常见，占该阶段脑电图记录的 20% 或更多。这些波被认为起源于丘脑，并与网状结构协调一致。
θ 波：4 - 8 Hz 在大鼠中，海马 θ 波在动物活动或恐惧时以及 REM 睡眠期间出现。在人类中，皮层 θ 波在昏昏欲睡、冥想或睡眠状态下出现，但在深度睡眠阶段不出现。人们普遍认为，胆碱能受体反应速度不够快，无法参与 θ 波的产生，因此 GABA 能信号必须发挥核心作用。
α 波：8 - 12 Hz α 波起源于枕叶，在闭眼清醒放松状态下出现。α 波在睁眼、困倦和睡眠状态下会减弱。它们被认为代表视觉皮层在空闲状态下的活动。
β 波：12 - 30 Hz 低振幅 β 波，频率多种多样，与活跃、忙碌或焦虑的思维以及积极的集中注意力相关联。在运动皮层上，β 波的爆发与运动控制相关联，在运动改变时会减弱。[2] 当需要抵抗或自愿抑制运动时，β 波活动会增强。
γ 波：30 - 100+ Hz γ 波在有意识和潜意识刺激中，被观察到作为视觉线索的神经同步。这项研究还揭示了神经同步如何解释神经系统中的随机共振。它们也与快速眼动睡眠有关，这与视觉化有关，以及在麻醉期间出现。
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大脑构建了周围世界的模型。这就是我们如何导航、如何避开障碍以及为什么我们避免试图穿过墙壁。大脑还构建了它所居住的身体的模型。它可以感知心脏的跳动、胃的疼痛、肌肉的痉挛、脸红的热度。构建大脑身体模型的机制可以应用于使其能够构建自身模型——以及递归地构建自身模型的模型，等等。
... 一立方毫米的皮层——目前 fMRI 技术的空间分辨率——包含令人惊叹的能量调节设备：13,000 个锥体神经元、24,000 个神经胶质细胞、1000 亿个突触和 100 米的轴突（Pakkenberg 等人，2003 年）。
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简单操作的组合效应可以产生复杂的行为。
图中展示了构成虚拟蜘蛛逻辑的 13 条规则中的三条（Krink 和 Vollrath，1998），该虚拟蜘蛛创造了类似于花园蜘蛛的虚拟网。这些规则控制着捕获螺旋（CS）的构建。每个规则包含一个前提条件（上框）和一个动作（下框）。箭头的方向代表活动流。每个规则的激活和执行都从对感觉系统的查询开始（灰色箭头），并导致执行执行条件活动循环的行为模式（黑色箭头）。
第一个规则 (1) 指导蜘蛛沿着辅助螺旋 (AS) 用它的内腿 (IL) 走到下一个与半径相交的地方。之后，第二个规则 (2) 让蜘蛛用它的外腿 (OL) 寻找外框架线和先前构建的 CS 线。当蜘蛛最终抓住一根线或完全伸展它的外腿 (3) 时，它会在先前检测到的半径上连接一个新的 CS 线。新的连接点的定位是通过先前 AS 和最后一个 CS 转弯之间的距离以及蜘蛛预期的 CS 网格尺寸之间的折衷方案决定的。
一只圆蛛大约需要 30 到 45 分钟才能完成它的网。结网的过程从丝腺（纺器）挤出初始粘性丝线开始。气流被用来将丝线吹过树叶之间的缝隙，缠绕在另一侧的树叶或树枝上。当它粘在表面时，蜘蛛会小心地走过丝线，并用第二根丝线增强它，以增加强度。蜘蛛在桥线上来回移动，通过放下更多丝线来增强它。然后它从桥线中心落下，将一条垂直线连接到地面。这提供了基本的 Y 形框架，然后在上面添加支撑外框架线和径向线（“辐条”，螺旋线就放在上面）。
首先放下一条非粘性、临时的螺旋线，从中心开始向外运行。这条临时螺旋线为蜘蛛提供了一个“脚手架”，它从这个脚手架上放下更紧密间距的、永久的、粘性的螺旋线，从外围开始向中心或中心点移动。每个螺旋线之间的间距与它后腿的尖端到纺器的距离成正比。蜘蛛在放下粘性螺旋线时会移除并卷起临时螺旋线。多余的丝线被吃掉并回收。
许多物种表现出涌现行为：蚂蚁群体、白蚁建造的土堆、蜜蜂群、鱼群、鸟群和哺乳动物群。单个蚂蚁并不特别聪明。但是，作为一个群体，蚂蚁群体可以解决复杂的问题，例如找到通往最佳食物来源的最短路径或将工蚁分配到不同的任务。
群体智能来自集体决策和交流。在一个蚂蚁群落中，没有人负责。没有将军指挥蚂蚁战士。没有经理管理蚂蚁工蚁。蚁后除了产卵外没有发挥任何行政作用。然而，即使有 50 万个成员，蚂蚁群落也能在没有等级管理的情况下正常运作。它依赖于无数个体蚂蚁之间的相互作用，每个蚂蚁都遵循简单的经验法则，根据其固有的程序对来自幼虫、其他蚂蚁、入侵者、食物和废物的化学气味的局部刺激做出反应。它在移动时会留下化学痕迹，为其他蚂蚁提供信息。通过分布式决策和化学交流，蚂蚁群体表现出复杂的行为。
考虑任务分配问题。应该有多少工蚁外出觅食？数量可以根据情况而变化。蚂蚁通过触觉和嗅觉进行交流。当一只蚂蚁撞到另一只蚂蚁时，它会用触角嗅闻，以确定对方是否属于同一个巢穴以及它在哪里工作——在外面工作的蚂蚁闻起来与待在里面的蚂蚁不同。在每天离开巢穴之前，觅食者通常会等待清晨的巡逻者回来。当巡逻者进入巢穴时，它们会短暂地用触角接触觅食者。当觅食者在短时间内接触到多个巡逻者后，它会出去并沿着巡逻者留下的气味痕迹前进。一旦蚂蚁开始觅食并带回食物，其他蚂蚁会加入进来，这取决于它们遇到的归巢觅食者的频率。
觅食者只有找到东西才会回来。食物越少，觅食者找到食物并返回所需的时间就越长。食物越多，返回的速度就越快。因此，实际上，群体决定今天是否适合觅食，但没有一个单独的个体来管理这个过程。这就是群体智能的工作原理：简单的生物遵循简单的规则，每个生物都根据局部信息行事。没有一只蚂蚁能看到全局。没有一只蚂蚁告诉其他蚂蚁该怎么做。
异级组织的令人印象深刻的能力激发了人工群体智能系统的开发，该系统由一群简单的智能体组成，这些智能体在局部与彼此及其环境进行交互。该技术已应用于电信网络中的数据包路由（Dorigo 和 Stützl，2004）。软件“蚂蚁”——模拟智能体——在模拟参数空间中移动时，共同收敛于最优解。“蚂蚁”记录它们的位置和解的质量，以便在后续迭代中，更多智能体找到更好的解。
在自然界中，许多物种成群结队地旅行。这是因为，作为一个大群体，无论是鸟群、鱼群还是兽群，个体都能增加发现捕食者、寻找食物、找到配偶或跟随迁徙路线的机会。对于这些动物来说，彼此协调动作可能是生死攸关的事情。一只捕食者躲避一千条鱼的发现比躲避一条鱼的发现要困难得多；捕食者正在靠近的消息在鱼群中迅速传播，因为鱼能从邻居那里感觉到有什么事情发生。当捕食者袭击鱼群时，群体能够以一种几乎不可能追踪任何个体的模式散开。它可能会突然爆炸，在捕食者周围形成一种移动的气泡，或者分裂成多个斑点，然后重新聚在一起游走。
谷歌在它的搜索引擎中使用群体智能。当你输入一个搜索查询时，谷歌会调查它索引服务器上的数十亿个网页，以确定最相关的网页。然后，它根据链接到它们的网页数量对它们进行排名，将链接计为投票（最受欢迎的网站获得加权投票，因为它们更有可能是可靠的）。获得最多投票的网页在搜索结果中排名第一。通过这种方式，谷歌利用网络的集体智慧来确定网页的重要性。
维基百科也被证明是一个巨大的成功，拥有超过 200 种语言的数百万篇文章，涵盖了世间万物，任何人都可以贡献或编辑这些文章。现在，大量的人可以以我们几十年前从未想象过的方式进行共同思考。没有人知道解决我们作为社会所面临的问题（如医疗保健或气候变化）所需的全部知识，但我们的集体知识非常广泛。
对于一个群体来说，无论是蚂蚁群体还是律师群体，想要变得聪明，都需要其所有成员都做好各自的工作。想象一下一只蜜蜂在蜂巢内走动。如果一股冷风吹到蜂巢，它会颤抖以产生热量，并在过程中帮助温暖附近的幼虫。它不知道蜂巢其他地方的数百名工蜂同时在做同样的事情，这对下一代有利。我们没有人知道整个社会需要什么，但我们可以环顾四周，说，哦，他们需要有人在学校做志愿者，或修剪公共草坪，或帮助进行政治运动。如果你在一个复杂的世界上寻找榜样，模仿蜜蜂不会比这更糟糕 (Miller, 2007)。
社会和政治群体是群体。在西雅图的大规模抗议活动中，反全球化活动人士利用移动通信设备迅速传播有关警察行动的消息，将原本混乱的人群变成了一群“智能暴徒”，他们能够像鱼群一样分散和重组。
群体的集体力量不是新闻；宗教和政治精英已经认识到这一点已有数千年，他们将大部分时间和精力投入到宣传中，以对群体进行编程。一旦完成编程，群体成员就会团结起来支持这一事业，甚至不惜为之献身，因为他们被灌输了一种信念，认为这是一种高于个人生存的道德义务。
神经元网络的集体智慧来自个体之间的相互作用。图中显示了大鼠大脑在单个触须被触碰后的 14 毫秒到 60 毫秒的时间序列脑图像，显示了思想在大鼠大脑中传播的火焰。
但什么是思想？有一点可以肯定，它们不是像……那样的简单反射。
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全局
[edit | edit source]如果这本书最终能够演变成一份连贯的文档，那么本章将被移到开头，而不是结尾。因为它仍然在这里，所以它还没有达到那种完美状态！
没有一个值得他工资的科学家会声称自己无所不知——也没有一个称职的科学家会声称自己对任何事情都了如指掌；即使是最微小的细节，也有太多东西需要了解（1 加 1 永远等于 2 吗？一个夸克加一个夸克呢？……一个引力子加一个引力子呢？），要容纳所有这些知识，一个脑袋肯定不够。前面的章节试图可靠地报道迄今为止科学的发现；所有陈述都得到引用的实验证据的支持。本章有所不同——它探讨的是悬而未决的问题；尚未解决的问题（在某些情况下，甚至还没有提出）。它的假设旨在为下一代科学家提供思考的素材，以探索并进一步揭示生命和存在的奇迹。
尽管由于书面交流的性质以及只有两个空间维度（加上超链接）可供利用的限制，本章被组织成不同的部分——但它们在概念上并非独立的主题；它们之间错综复杂地相互关联。一些现象及其相互关系将被提及，其余的——大多数，必须承认——留待你自行发现。
谁说了算？
在封建社会中，国王或领主是人口的首席执行官。在蚂蚁群落中，蚁后是幼虫的卑微仆人。
大多数人类设计的系统都是等级制的；“分而治之”的原则被凯撒成功地用于建立他的帝国，被波利亚（参考文献）用于解决数学问题，被冯·诺伊曼（参考文献）用于设计人工计算机的架构，而这种架构仍然是当今技术的蓝图。
但谁说了算？是思想还是身体？
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美的数学
从古至今，数学家一直被简洁的美所迷恋：直线、圆形、点、方程式的完美。我们为爱因斯坦著名的质量和能量关系式而着迷——它如此优雅简洁，一定是正确的（据我们所知……！）。
但你可能想知道，为什么他们会如此痴迷？是否有某种潜在的原因？许多人会争辩说，这是“不言而喻的”——但自明性是理性论证的替代品；它实际上意味着“我不知道，去问问你妈妈！”
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为什么孩子们会问“为什么”？
企业家、工程师和为生计而奔波的人们大多不关心“为什么”，因为他们太忙于试图弄清楚“如何”。但对于孩子们（以及那些遭受悲剧的成年人和偶尔出现的哲学家（大多数哲学家都有些古怪）），问题“为什么”总是萦绕在他们的脑海中。为什么天空是蓝色的？为什么女孩喜欢粉色？为什么我必须上床睡觉？为什么我不能做（无论是什么被拒绝了）？为什么拍手会发出声音？如果没有人听到，树倒在森林里会发出声音吗？为什么要提这个？……
“为什么”是终极的学术问题。但这并不意味着它没有实际价值——相反，它对生存至关重要。知识并非力量（只有对说服技巧和技术的了解才是力量），但它对于能够构建一个关于世界运作方式的因果模型是必要的，这个模型必须足够准确，才能在其中生存。
细菌在没有因果模型的情况下也能很好地生存……作为一个群体，但不是作为个体。它们的生命的机制具有高度适应性，病毒的机制也是如此，病毒的进化速度比抗生素的追赶速度更快；就像阿喀琉斯，抗生素只能减少它与上次看到乌龟速度病毒的位置之间的距离——但当他到达那里时，病毒已经移动了。然而，一个特定的细菌就像一个新生儿一样无助——而一个新生儿几乎与细菌一样无助。它拥有细胞呼吸所需的设备，但除了被编程为寻找它“认为”是母亲的乳头之外，它不知道如何获得细胞呼吸所需的营养。
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