本文材料很多取自： Nature - Invariant visual representation by single neurons in the human brain
由于觀(guān)點(diǎn)極為新穎大膽，請部分當做科幻小說(shuō)來(lái)讀。歡迎關(guān)注許鐵更多計算神經(jīng)科學(xué)系列。
人腦里的200億神經(jīng)細胞，如同浩瀚的星空。星星交替閃爍，構成我們心智的密碼。一百多年里，這都是科學(xué)最大的秘密。
人們對神經(jīng)元放電和人的記憶等心理活動(dòng)關(guān)系的最初認識，來(lái)自于上世紀中期的腦外科醫生。
神經(jīng)科學(xué)的創(chuàng )始人之一penfield在做一個(gè)外科手術(shù)的時(shí)候，將一枚電極插入一個(gè)女人的大腦里，那個(gè)女人忽然間看到了6年前她分娩時(shí)候的情景，而且就像真實(shí)發(fā)生的。這樣一個(gè)故事，在那個(gè)時(shí)代算是天外童話(huà)一般，以至于那個(gè)醫生把這種現象歸結于：woman is unpredictable...沒(méi)有人猜的透女人的想法。。
從那時(shí)候起，人類(lèi)開(kāi)始明白神經(jīng)細胞，這種生命系統最神奇的細胞的放電，和我們的內心世界，每一個(gè)微小的想法，緊密相連。
神經(jīng)細胞的放電最終是如何和認知現象相連的，這個(gè)基本問(wèn)題被稱(chēng)作神經(jīng)編碼，因為它被歸入信息論。
為什么叫編碼？首先，放電是什么，是神經(jīng)細胞間在傳遞信息, 好像一個(gè)細胞在像另一個(gè)細胞喊話(huà)。細胞放電的信號可被小小的電極測量，這也是我們唯一能夠掌握的可測量量。這些電生理學(xué)家記錄的電信號，就像戰爭里特務(wù)使用的密碼本，說(shuō)的是有關(guān)于我們所有的事情，只是我們看不懂。而解碼的過(guò)程，就是讀懂這個(gè)電信號的密碼本。
這個(gè)解密的過(guò)程，有一個(gè)階段是特別容易的。就是視網(wǎng)膜的編碼，因為這個(gè)裝置就是個(gè)數碼相機，光線(xiàn)通過(guò)眼鏡這個(gè)鏡頭，投射到視網(wǎng)膜神經(jīng)元，每個(gè)細胞對應相機的一個(gè)像素。但是這個(gè)相機的美夢(mèng)止于第一步。 當神經(jīng)信號進(jìn)入下一層，上丘，視皮層，更下一層， 海馬，我們的信心就把打擊的無(wú)影無(wú)蹤。神經(jīng)細胞的信號變得雜亂無(wú)序，再也構不成一張照片。而我們的感覺(jué)，心理活動(dòng)，其實(shí)正是來(lái)自這些深層腦區。--所謂相由心生，我們所說(shuō)的眼見(jiàn)，其實(shí)是這些深層腦區的信息。但是當我們直接看這些信號，它們卻一點(diǎn)不像我們看到的。
最近看到一篇十分驚人的nature文章（2005，可能是近年對這種神經(jīng)編碼的最大突破。它指出的是，深層腦區的編碼，指向抽象的概念，而非具體的圖畫(huà)，它就像一個(gè)尋找不同事物間不變屬性的計算器，通過(guò)不變性形成對事物的概念，然后通過(guò)概念的聯(lián)系，重構世界。 這個(gè)觀(guān)點(diǎn)和某些古代哲學(xué)家的觀(guān)點(diǎn)，柏拉圖和康德，不謀而合。構成世界基礎的是抽象的概念而非具體的事物。
這篇文章首先試圖回答認知科學(xué)的核心問(wèn)題： 為什么人腦能夠在極短時(shí)間辨別一個(gè)人或者物體，即使這個(gè)人和物體處在相當不同的狀態(tài)，甚至穿上了馬甲，都可以給他認出來(lái)，而且你可以 一下子聯(lián)系到和這個(gè)人吃的飯，說(shuō)的話(huà)，等等所有細節？
你認出一個(gè)人當然是因為你早就認識這個(gè)人，那么，你要懂得負責記憶的核心部位-海馬體。
海馬體，是一個(gè)形似海馬的部位。最準確的說(shuō)法是它是人腦的ram-內存。因為他負責大腦的情景記憶。這個(gè)腦區就像一臺小小的攝像機，將發(fā)生的事情，時(shí)間，地點(diǎn)，人物快速的存入其中，并在較長(cháng)一段時(shí)段保存他們（但是更久遠的多年前的事情存儲在其它部位，這個(gè)是由于一個(gè)切除海馬的病人的情況獲知的，它記得童年，卻無(wú)法形成那個(gè)對昨天的記憶，生活在永恒的“當下”）。
海馬-大腦的內存，大腦信息聯(lián)系的樞紐--因形似海馬而得名。
它還有一個(gè)另外的功能，空間導航（navigation）。這個(gè)腦區的神經(jīng)元會(huì )對視覺(jué)信號進(jìn)行加工，形成對一個(gè)地點(diǎn)的印象。
這兩個(gè)功能看似沒(méi)有關(guān)聯(lián)，實(shí)則是一體的。情景記憶無(wú)非是時(shí)間地點(diǎn)人物，只需在時(shí)空坐標上加上對物體的認知就夠了。
你要形成對事物的任何印象，都要先經(jīng)過(guò)這個(gè)腦區。一個(gè)人，一張桌子，一座大樓，都在這個(gè)地方編入記憶，而怎么編入記憶，你只需要聆聽(tīng)它在說(shuō)什么。。
當然，沒(méi)有什么人會(huì )把它的海馬打開(kāi)讓你插入電極。除了一種情況。。癲癇。癲癇是由于神經(jīng)細胞的大規模同步放電造成。其實(shí)人的神經(jīng)細胞只有在半死不活的狀態(tài)才工作正常，如果它興奮過(guò)度，就癲癇了。當然這是一個(gè)痛苦的病患，但是這個(gè)病卻給讀心術(shù)提供了絕佳的甚至唯一的機會(huì )，因為治療癲癇的手術(shù)需要開(kāi)顱檢測大腦的電信號，確定過(guò)度興奮的區域，這個(gè)過(guò)程可以持續幾天，在這些日子里，人可以是清醒的。也就恰好給科學(xué)家提供了探索的機會(huì )。
這個(gè)實(shí)驗來(lái)自2005年的一篇nature文章-Invariant visual representation by single neurons in the human brain.
實(shí)驗研究8個(gè)患癲癇病的病人。采訪(fǎng)每個(gè)人對什么感興趣，是某個(gè)美女，還是悉尼歌劇院等。然后呢，當這些人的海馬插入電極的時(shí)候，科學(xué)家就拿出一個(gè)大屏幕，給他們看上面出現的大美女，歌劇院，當然還有路人甲，路人乙，一些無(wú)關(guān)的動(dòng)物等等。然后看哪些圖像會(huì )引起海馬神經(jīng)元的反應（放電）。
如果看到一些細胞對大美女反應（放電）了，科學(xué)家就再做一次實(shí)驗。準備第二組圖像，是這個(gè)美女穿衣服，脫衣服，穿不同衣服的，小時(shí)候的，打扮成動(dòng)物的，和其他人活動(dòng)等等圖片，甚至還有更抽象的他的名字的符號，和錄音?？纯催@回哪些細胞會(huì )反應 。
一個(gè)驚人的發(fā)現是，科學(xué)家發(fā)現海馬及周邊區域內的一組固定的細胞， 只要出現和這位大美女相關(guān)的圖像，甚至包括抽象的符號， 就會(huì )起反應。我們說(shuō)，這就是這個(gè)美女的概念細胞。而這組細胞對不是這個(gè)美女的圖像表現的興致全無(wú)，幾乎都看不到它們放電。 以下是Nature的示意圖
圖： 第一組實(shí)驗，實(shí)驗者發(fā)現病人腦中一組對Jennifer Anniston（老友記女主演）反應的細胞（開(kāi)頭那幾張）。無(wú)論什么樣的Jennifer Anniston都會(huì )引起這組細胞放電，而其他的物體或人出現時(shí)候，這組細胞幾乎不放電。那個(gè)照片底下的紅色圖表就是放電率。紅色柱比較高就是放電率高。 這組細胞可稱(chēng)為jennifer細胞。
這組是Halle Berry （第一排）， 無(wú)論是她打扮成貓女還是任何發(fā)型，都有一組細胞對她敏感，甚至包括了她的名字（第一排末尾），這種抽象符號。 因此這是實(shí)驗的第二階段。halle berry 這個(gè)概念包括具體的星像，變化的形象，還有抽象的她的符號。
第三組圖片把研究拓展到標志建筑，這個(gè)是一組悉尼歌劇院起特定放電的細胞，包括歌劇院的形象和它的英文名。
但是這組實(shí)驗效果沒(méi)有上一組明顯。
好似看似貌不驚人的研究，卻在提示大腦深層神經(jīng)細胞的最基本屬性： 大腦深層神經(jīng)細胞搜索的是概念，是抽象，越是抽象的，就越有效。
不是說(shuō)某個(gè)大美人的臉嗎？ 不是很具體嗎？ 怎么扯到抽象了？ 扯到概念了？
我們不理解一些東西是因為我們太熟悉。 你見(jiàn)到大美人的一張照片，不代表你對她形成了任何認識，她可能只是在你眼里稍縱即逝的圖像。所謂認知，是一個(gè)主動(dòng)的過(guò)程，你用從無(wú)數的觀(guān)測角度對事物進(jìn)行結構，把不同的信息綜合。 大美人=女人+美貌+ 名字+年齡+籍貫+她主演的電影+她和誰(shuí)好， 所以你看到，只要美人的照片對這些抽象的信息解構了，你才對它形成了認識，你把她的信息填入這樣那樣一個(gè)抽象的框框里，好想一個(gè)好奇人做的問(wèn)卷調查。
然后呢？ 然后你形成了“她”的概念，不是張三，不是李四，而是她，獨一無(wú)二的她，獨一無(wú)二的她是什么？ 如果她明天長(cháng)了三頭六臂還是她嗎？ 你看，這是一個(gè)抽象的問(wèn)題， 就像古代的公孫龍問(wèn)什么是馬，白馬是不是馬一樣。
而形成她的概念的關(guān)鍵是，找到不變量。不變，相對什么不變？ 想對她，即使有一些細節變了，但是你通過(guò)對以往關(guān)于她大量細節的綜合判定，你依然知道是她，正因為她不會(huì )在短時(shí)間長(cháng)出三頭六臂，具有眾多變化中的不變一面，你才得以對她形成認識，形成記憶。
這篇文章，用科學(xué)的手段，回答了這個(gè)極為關(guān)鍵的問(wèn)題。那些大腦深層的神經(jīng)元，正是在捕捉紛繁事物間的聯(lián)系，形成一個(gè)抽象的概念，通過(guò)它們，統領(lǐng)了我們對世界的認識。那些如浩瀚繁星般的神經(jīng)元，不是具體的一張張臉，而是概念的星空。
其實(shí)仔細想想，這也是大自然聰明的表現，如果你要想人類(lèi)設計的笨拙的電腦一樣把一張張圖像分作像素保存，要儲存你每一秒鐘看到的圖像，整整一生時(shí)間，需要多少臺電腦？ 如果把它們放進(jìn)一個(gè)個(gè)抽象的概念。那么一個(gè)具體的畫(huà)面，無(wú)非是劃過(guò)概念空間的一個(gè)軌跡，把幾個(gè)相關(guān)概念鏈接起來(lái)就是了。
小明去上學(xué)。 小明的信息和學(xué)校的信息是早已有之，那么把他兩個(gè)之間連個(gè)線(xiàn)，就有了小明去上學(xué)。
回到起初的問(wèn)題，海馬是干什么的？ 空間導航！為什么我們會(huì )用這個(gè)微妙的空間導航器形成記憶？ 空間，坐標，是什么？ 不正是一組事物的聯(lián)系嗎（x，y，z）？如果把實(shí)物空間變成抽象空間呢？ 把x，y，z，變成名字，籍貫，性別呢？ 是不是很微妙？
這讓我想到的一個(gè)節外生枝的問(wèn)題是，為什么抽象的學(xué)科如數學(xué)會(huì )如此成功，為什么古希臘的畢達哥拉斯覺(jué)得數學(xué)的世界才是世界的真實(shí)？ 到底是抽象，還是具體，是人類(lèi)的幻想，抑或都是？ 這些問(wèn)題回答尚早。
最后，還是說(shuō)說(shuō)讀心術(shù)，我想讀了上面的，你也可以設計出讀心術(shù)的流程。把對應某個(gè)概念的特定細胞找到，聆聽(tīng)她們的聲音。當這組細胞放電，就是它們在回想那個(gè)特定概念。如果能找到很多細胞對應的信息并記錄所有它們放電活動(dòng)，就可以聽(tīng)到我們的內心。
神經(jīng)編碼，是神經(jīng)科學(xué)最大的謎團，我想，當然不可能只有一種機制，對它們的理解，將是人類(lèi)最大的挑戰。但是了解他們可能解除的人類(lèi)痛苦，也將浩大到不可計數。--美國，歐盟浩大的腦科學(xué)計劃的目標，號稱(chēng)人類(lèi)第二登月。
這篇nature文章指出的機制簡(jiǎn)單到難以置信，正想愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)的，這個(gè)世界最難理解的地方是它可以理解。
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