人类在认知领域是无与伦比的。毕竟，没有其他物种向其他星球发送过探测器、生产过救生疫苗或创作过诗歌。如何在人脑中处理信息以使这成为可能是一个吸引了无穷无尽的魅力的问题，但没有明确的答案。
多年来，我们对大脑功能的理解发生了变化。但目前的理论模型将大脑描述为“ 分布式信息处理系统”。这意味着它具有不同的组件，这些组件通过大脑的线路紧密相连。为了相互交互，区域通过输入和输出信号系统交换信息。
然而，这只是更复杂情况的一小部分。在上周发表在《自然神经科学》杂志上的一项研究中，我们使用来自不同物种和多个神经科学学科的证据，表明大脑中不仅有一种类型的信息处理。人类和其他灵长类动物的信息处理方式也有所不同，这可以解释为什么我们物种的认知能力如此优越。
我们从所谓的信息论数学框架中借用了概念——研究测量、存储和交流对互联网和人工智能等技术至关重要的数字信息——来跟踪大脑如何处理信息。我们发现不同的大脑区域实际上使用不同的策略来相互交互。
一些大脑区域使用输入和输出以非常刻板的方式与其他区域交换信息。这确保了信号以可重复和可靠的方式传递。专门用于感觉和运动功能（例如处理声音、视觉和运动信息）的区域就是这种情况。
以眼睛为例，它将信号发送到大脑后部进行处理。发送的大部分信息都是重复的，由每只眼睛提供。换句话说，这些信息的一半是不需要的。所以我们称这种类型的输入输出信息处理为“冗余”。
但是冗余提供了鲁棒性和可靠性；它使我们仍然只能用一只眼睛看东西。这种能力对于生存至关重要。事实上，至关重要的是，这些大脑区域之间的连接在大脑中是解剖学上的硬连线，有点像电话座机。
然而，并非眼睛提供的所有信息都是多余的。结合来自双眼的信息最终使大脑能够处理物体之间的深度和距离。这是电影院中多种 3D 眼镜的基础。
这是处理信息的根本不同方式的一个示例，其方式大于其部分的总和。当来自不同大脑网络的复杂信号被整合时，我们将这种类型的信息处理称为“协同”。
协同处理在支持广泛的更复杂认知功能的大脑区域中最为普遍，例如注意力、学习、工作记忆以及社会和数字认知。从某种意义上说，它不是硬连线的，它可以根据我们的经验而改变，以不同的方式连接不同的网络。这有利于信息的组合。
这些发生大量协同作用的区域——主要位于皮层的前部和中部（大脑的外层）——整合了来自整个大脑的不同信息源。因此，与处理主要感觉和运动相关信息的区域相比，它们与大脑其他部分的联系更广泛、更有效。
支持信息整合的高协同区域通常也有许多突触，这些微观连接使神经细胞能够进行交流。
Synergy 是什么让我们与众不同？
我们想知道这种通过大脑复杂网络积累和构建信息的能力在人类和其他灵长类动物之间是否不同，从进化的角度来看，它们是我们的近亲。
为了找出答案，我们查看了不同物种的大脑成像数据和遗传分析。我们发现协同交互占人脑总信息流的比例高于猕猴大脑。相比之下，两个物种的大脑在对冗余信息的依赖程度方面是相同的。
然而，我们还专门研究了前额叶皮层，这是大脑前部支持更高级认知功能的区域。在猕猴中，冗余信息处理在该区域更为普遍，而在人类中，这是一个协同作用重的区域。
前额叶皮层也随着进化经历了显着的扩张。当我们检查黑猩猩大脑的数据时，我们发现人类大脑的一个区域在进化过程中相对于黑猩猩的对应区域在大小上扩展得越多，这个区域就越依赖于协同作用。
我们还研究了来自人类捐赠者的基因分析。这表明与处理协同信息相关的大脑区域更有可能表达人类独有的基因，这些基因与大脑发育和功能相关，例如智力。
这使我们得出结论，由于进化而获得的额外人类脑组织可能主要用于协同作用。反过来，人们很容易推测，更大的协同作用的优势可能部分解释了我们物种的额外认知能力。协同作用可能会为人类大脑进化的难题增加一个重要的部分，而这是以前缺失的。
最终，我们的工作揭示了人脑如何在可靠性和信息集成之间进行权衡；我们两者都需要。重要的是，我们开发的框架有望为广泛的神经科学问题提供重要的新见解，从关于一般认知到疾病的问题。 
本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。
图片来源：来自Pixabay的Gerrit Bril