为什么生物的感知器官一般都集中在头部? 第1页

这个问题目前没有一致的权威解释，这里我仅提供一些假设和证据。

拿网线[1]做一个类比，我们常用的网线有cat3（三类），Cat5（五类）, Cat5e（超五类）, Cat6（六类）, Cat6a（超六类）等几个标准，按照顺序，其传输速度越来越高，同时其有效传输距离越来越短:

高标网线做的短、粗、屏蔽好、线束多是由噪声抑制、响应速度、传输速度等几个方面的因素决定的。之所以能拿网线作为类比，是因为作为感知信息传递的载体，神经纤维束也存在着这些性能要求：传输带宽、响应速度、噪声抑制[2]. 神经纤维/神经纤维束本质上传递的是数/模混合信号[3].

对于一个典型的由树突(Dendrites)、胞体(Soma)和轴突(Axon)组成神经细胞，其信号传递的最长一段显然是轴突。由于神经信号的生化反应本质，我们可以简单认为同一种神经细胞的单根轴突传递信号的带宽是一致的（接近的）。

跟网线一样，有些轴突会有屏蔽层——髓鞘(Myelin Sheath)[4], 这对信号传递过程中的噪声抑制具有积极作用：

从神经信号的整个传输和处理过程来看，在各个阶段噪声都有可能产生[5]：

具体地，我们考察一段轴突上信号在传递过程中的情况，可以观察到肉眼可见的随着传输距离增加而噪声增大的情况[6, 7]：

不难理解地，噪声信号，特别是传输过程中引入的噪声信号对感知信息的处理具有负面的效果[8, 9]. 根据上面的信息，我们可以猜想，随着感知信号带宽和响应速度要求的增加，神经纤维束（树突的集合体）越粗、并且越短，其髓鞘屏蔽越好。

以信号带宽最高的感知信号——视觉信号为例(https://www.zhihu.com/question/27380522/answer/36794240)[10]:

严格意义上，视觉信号被视网膜感知就已经进入了“大脑”，然后通过视神经(optic nerve)进行传输。因此视神经中传输的是最为原始的，基本未经大脑进行感知加工过的信号。其直径是单一功能神经纤维中最粗的[11, 12].

同时，视神经具有较粗的髓鞘作为屏蔽层保护信号的传输[13]：

具体地，对于人类来说，视神经髓鞘的损坏将直接影响人的视觉感知，比如视神经炎、多发性硬化等都会损坏人的视觉[14].

如果以数字信号来等效，视神经的一般传输速率为约8.75Mb/s, 并且具有峰值约40Mb/s的传输能力[15], 这基本上是Cat5网线的标准。巧合的是，二者的粗细也是差不多的。相比之下，传输嗅觉信号的嗅神经纤维就要细得多了[16], 因为其带宽要求也低得多。

在传输速度（响应速度）上，神经信号约为100m/s[17]. 不过具体数值受到很多因素的影响，比如年龄、性别、疾病，以及神经纤维的粗细和髓鞘[18, 19]：

因此，像视觉、听觉、嗅觉、味觉这样对传输带宽（信号丰富性）、响应速度或者噪声抑制（敏感性）要求高的信号，从信号产生到信号处理之间的距离短，对生物的生存和演化具有更为积极的意义。这些感知器官离大脑近的生物种类和个体，因此在自然选择中具有竞争优势。

[1] McNeill, D. B., & Kilpatrick, J. B. (1995).U.S. Patent No. 5,399,813. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.

[2] Furness, J. B. (2006).The enteric nervous system(Vol. 274). Oxford: Blackwell.

[3] Clark, B., & Häusser, M. (2006). Neural coding: hybrid analog and digital signalling in axons.Current biology,16(15), R585-R588.

[4] Michailov, G. V., Sereda, M. W., Brinkmann, B. G., Fischer, T. M., Haug, B., Birchmeier, C., ... & Nave, K. A. (2004). Axonal neuregulin-1 regulates myelin sheath thickness.Science,304(5671), 700-703.

[5] Faisal, A. A., Selen, L. P., & Wolpert, D. M. (2008). Noise in the nervous system.Nature reviews neuroscience,9(4), 292.

[6] Fellous, J. M., Tiesinga, P. H., Thomas, P. J., & Sejnowski, T. J. (2004). Discovering spike patterns in neuronal responses.Journal of Neuroscience,24(12), 2989-3001.

[7] Steriade, M., McCormick, D. A., & Sejnowski, T. J. (1993). Thalamocortical oscillations in the sleeping and aroused brain.Science,262(5134), 679-685.

[8] Neishabouri, A., & Faisal, A. A. (2014). Axonal noise as a source of synaptic variability.PLoS computational biology,10(5), e1003615.

[9] Maham, B. (2015). A communication theoretic analysis of synaptic channels under axonal noise.IEEE Communications Letters,19(11), 1901-1904.

[10] Gray, H., & Standring, S. (2008).Gray's anatomy: the anatomical basis of clinical practice. Churchill Livingstone.

[11] Mikelberg, F. S., Drance, S. M., Schulzer, M., Yidegiligne, H. M., & Weis, M. M. (1989). The normal human optic nerve: axon count and axon diameter distribution.Ophthalmology,96(9), 1325-1328.

[12] Vaiman, M., Abuita, R., & Bekerman, I. (2015). Optic nerve sheath diameters in healthy adults measured by computer tomography.International journal of ophthalmology,8(6), 1240.

[13] Maxwell, W. (2013). Damage to myelin and oligodendrocytes: a role in chronic outcomes following traumatic brain injury?.Brain sciences,3(3), 1374-1394.

[14] Klistorner, A., Arvind, H., Nguyen, T., Garrick, R., Paine, M., Graham, S., ... & Yiannikas, C. (2008). Axonal loss and myelin in early ON loss in postacute optic neuritis.Annals of Neurology: Official Journal of the American Neurological Association and the Child Neurology Society,64(3), 325-331.

[15] Koch, K., McLean, J., Segev, R., Freed, M. A., Berry II, M. J., Balasubramanian, V., & Sterling, P. (2006). How much the eye tells the brain.Current Biology,16(14), 1428-1434.

[16] Gasser, H. S. (1956). Olfactory nerve fibers.The Journal of general physiology,39(4), 473-496.

[17] Hursh, J. B. (1939). Conduction velocity and diameter of nerve fibers.American Journal of Physiology-Legacy Content,127(1), 131-139.

[18] Smith, R. S., & Koles, Z. J. (1970). Myelinated nerve fibers: computed effect of myelin thickness on conduction velocity.American Journal of Physiology-Legacy Content,219(5), 1256-1258.

[19] Waxman, S. G., & Bennett, M. V. (1972). Relative conduction velocities of small myelinated and non-myelinated fibres in the central nervous system.Nature New Biology,238(85), 217.