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人工智能学家 中国科学院水生生物研究所研究员 谢平教授授权发布 七、还原视觉的真相——非编码二步式并行传输模型 我们的视觉表象上看似复杂，因为沿着视路（图6）的各种神经细胞的多样性以及它们之间对应关系的复杂性可谓令人眼花缭乱：①存在不同的感光神经元，②存在不同的神经节细胞，③存在特征分离的神经通道，以及④存在视网膜中感光细胞与神经节细胞的类型对应、再与外侧膝状体细胞的类型对应、进而再与视皮层细胞的类型对应、还有视皮层中的简单细胞-复杂细胞-超复杂细胞的对应……等等。但是，这些都不意味视觉信息就一定需要被肢解成诸如颜色、形状、明暗、动作等不同的特征来进行传输。  图6 大脑的主要分区以及穿越其中的视路 （LGN：外侧膝状体，MT：颞中区）（来源：http://www./notes/Learning/Psychology/Biological%20Psycology.html） 在此，笔者提出一个新的设想，称为非编码二步式并行传输（Non-coding two-step parallel transportation）模型，这种传输是在多种特征性神经纤维或微通道（multiple featured nerve fiber or microchannels）中进行的。简单地说，该模型认为，大脑神经系统分二步同时使用着多种不同特性的通道对视觉信息进行传输，视中枢对传递而来的关于同一个景物的视觉信息进行同步感知（synchronousperception）。因此，视觉过程并不需要任何编码与解码，也不存在压缩与解压缩（图7）。  图7 关于视觉信息的非编码二步式并行传输（Non-coding two-step parallel transportation）模型 第一步是利用多种特征性神经纤维进行的光点传输，路径是从视网膜出发，经由丘脑外侧膝状体，最后到达纹状皮层（V1）。光点传输的证据是视网膜神经节细胞和丘脑外侧膝状体神经元的感受野均是对光点敏感的同心圆结构（中心和周边相互拮抗）。可以设想，不同的神经纤维具有不同的效应分子（图7中的a，b，c，d，e……），因此可传递不同的特性（如颜色、敏感、深度等）。因有足够多的神经纤维，按一定比例排列的特征性神经传输纤维可以满足对景物的分辨率。 第二步是利用多种特征性微通道并行传输，路径是从V1到视觉的终点——视中枢。V1及其它视区的神经元通过自身的特征性分子及其适当的空间配置组织成不同的功能柱（斑点柱、朝向柱、眼优势柱等）和超柱，并以图形要素（线条、边界等）以及最终以整体的形式感知来自LGN的光点信息。形象地说，视皮层就像一台可同时观看的多（微）通道（以功能超柱为单位）望远镜，不同微通道中的镜片就是不同特征的生物大分子，而大量的微通道就可以满足对景物不同特征的视觉分辨。图7中的A、B、C和D等表示设想的不同效应分子（如蛋白质）。颜色、运动、形状等不同的视觉特性之所以不能在同一个通道中一次完成，可能是因为需要性质十分不同的效应分子来传输景物的不同特性的缘故。如果某一类通道受损就会丧失对相应特性的传输，如色彩通道受损，我们就只能看到黑白的外部世界，运动通道受损，我们就只能看到静止的物体，等等。既然颜色、形状与运动信息必须使用不同的微通道进行传输，它们就不可能作为同一个模块（神经集群）被一起记忆，而在大脑皮层中的记忆可能主要以轮廓模式为主，色泽可能并不那么重要，就像我们看到一个女性友人，无论她如何打扮（譬如，穿不同颜色的衣服），我们一眼就能认出她来。 视觉是一个信息在传输上的降维与表征上的升维过程。在视网膜那里，对外部景物的三维视觉信息降为一维进行传输，但实际上，信息的三维性借助眼睛中视网膜中神经元的精致空间结构得到了保存。而从视网膜到视觉中枢，视觉信息又经历了一个复（升）维过程，即从点?线（一维）→面（二维）→非完形立体图形（破缺三维）→完形（动态、彩色、立体和复合）三维图景，这是通过按一定空间规则配置的不同效应分子的感应来实现的。也可以认为，这是一种逐级投射过程，即完形三维源自破缺三维的投射，破缺三维源自二维的投射，二维源自一维的投射，而视网膜是一维的初始投射源。这种投射物到底是物质、能量还是信息呢？也许是其一，或其二，或全部。既然色彩、形状、运动是在分离的通道中进行投射的，那在我们依然还未知的那个视觉终点站，是如何形成一个完形三维图景的呢？莫非再现一个类似于视网膜那样的结构？只有实现这样的完形三维图景，我们才会自如地体验直觉与灵感! 还有以下几个疑问还难以回答，也是未来的研究需要进一步确认的。 1）视觉传输通道中的效应分子到底是对电信号感应还是光信号感应？它们是如何感应的？视觉信息的储存应该是通过生物大分子结构的变化及其恰当的空间配置来实现的。我坚信，视觉信息的传输、觉知和储存都不需要进行所谓的编码过程。 2）我们的头脑中是否有一幅面前世界的“图像”呢？如果没有，那我们对外部景物的感知为何如此地连续与完整？Crick （1994）指出，“很少有人相信，在大脑的某处有一个真正的屏幕，它产生与外部世界相对应的光模式。我们都知道，电视机之类的装置能够完成这种工作。然而，在打开的头颅中，我们并没有发现按规则阵列排列的脑细胞，它们在发射各种颜色的光”。但是，我们见到过的许多外部世界的景象真真切切地镌刻在了我们的大脑皮质（由无数神经细胞编制而成）中，否则我们不会梦见它们。 人类的视觉中枢可能存在一个类似于屏幕的区域，不一定是平面的，也许还是分离的，但它作为一个整体性的功能单元/系统承接多种通道投射而来的光学信息（哪怕是间接地），瞬间就自动形成了我们的视觉。而当下的视觉顷刻间自动搜索、比对与激活在层层折叠的视皮质区（展开之后犹如一幅庞大无比的屏幕）中错综复杂地印刻着的过往的各种景物（轮廓或模块），立刻就能形成我们的觉知。 3）既然视觉信息未被编码也未被压缩，那它们是如何被储存在大脑的记忆中的呢？用于对物体特征进行记忆的大脑皮层可能是一个不断结构化的过程，它的基本框架在发育关键期伴随最基本生存经历的刺激就被快速搭建起来。之后，就是一个不断被内外部经历填充、瓜分、修正或改写的模块化过程，从特定记忆类型的始点不断向外周扩展，先构建低级模块，再逐渐向高级模块扩展。此外，如果没有对各种类型模块进行快速识别的独特标签，意识的活动窗口如何能在记忆模块之间自由、准确而快速地穿梭？ 八、风靡全球的脑计划——南辕北撤？ 人的大脑虽然只有1.5 kg，但它褶皱的皮质含有约300亿个神经元细胞，有多达1000万亿条神经突触连接，如此复杂结构中的可能反应通道的数量远远超出了宇宙中基本粒子的数量（Edelman 2006）。 大脑是认知的核心，但遗憾的是，我们目前对大脑工作机制的了解几乎是空白，我们对认知的探索依然如在茫茫黑夜中航行。神经生物学家Ralph Adolphs说：“我们不了解任何一个单个机体的大脑工作机制，就连只有302个神经元的小虫，我们目前也没法了解它的神经体系”。个别极端的功能主义者宣称，了解脑的细节永远得不到任何东西（Crick 1994）。Crick（1994）预言，“新皮层可能是人类无比的荣耀，故它不会轻易地将秘密公诸于世”。美国科学记者霍根（John Horgan）说，研究心灵的科学家擅长于分解脑，但却不知如何将其重组回来（Horgan 1999）。 世界各国已经拉开了新一轮脑科学大战的序幕——2013年，美国总统奥巴马宣布启动名为“推进创新神经技术脑研究计划（Brain Research through Advancing InnovativeNeurotechnologies）”的计划，同年欧洲也启动了类似的“人脑计划（Human Brain Project）”，2014年日本启动了名为“通过整合神经技术构建服务于疾病研究的大脑地图（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologiesfor Disease Studies）”，2016年中国也启动了名为“脑科学与类脑科学研究（Basic Science and Brain-like IntelligenceTechnology）”的计划，将持续15年之久。  美国脑计划旨在解决：1）统计大脑细胞类型，2）建立大脑结构图，3）开发大规模神经网络记录技术，4）开发神经回路的工具，5）了解神经细胞与个体行为之间的联系，6）把神经科学实验与理论、模型、统计学等进行整合，7）描述人类大脑成像技术的机制，8）为科学研究建立收集人类数据的机制，9）知识传播与培训。欧盟脑计划旨在解决：1）研发神经信息学、脑仿真和超级计算机的ICT平台，2）全新的医学信息学平台将把全世界的临床数据汇集起来，使医学研究人员得以提取有价值的临床信息，并结合进有关疾病的计算机模拟中，3）仿神经计算平台和神经机器人学平台，根据脑的构筑和回路研发新型的计算系统和机器人。而日本脑计划旨在通过对狨猴大脑的研究来加快对人类大脑疾病（如老年性痴呆和精神分裂症）的研究。中国脑计划旨在解决：1）大脑对外界环境的感官认知，如人的注意力、学习、记忆以及决策制定等，2）通过动物模型研究人类以及非人灵长类的自我意识、同情心以及意识的形成，3）探究语法以及广泛的句式结构等语言认知，用以研究人工智能技术。 2005年7月1日,在纪念美国《科学》杂志创刊125周年之际,科学家们总结出了125个最具挑战性的科学问题（前25个被认为是最重要的问题）,其中，与认知心理学有关的问题见表1。再比较一下世界大国的新一轮脑研究计划，面对这些最具挑战性的科学问题，难言具有逢山开道之精神，更像是兜圈绕行之战术，给人的感觉是似乎依然难以从魂牵梦绕的经典之中得以挣脱。而本书斗胆触及了这些问题中的相当一部分，并试图以独特的视角来进行诠释，欢迎读者的客观审读与批判。爱因斯坦曾说，“宇宙最不可理解之处是它是可理解的”，而虽然我们每天都在运转意识，但却一点都不知道它是何物以及是如何工作的。 表1 在与认知心理学相关领域中，最具挑战性的科学问题  九、来自梦的启迪——模块化记忆？ 很少有人关注梦与记忆的关系，除了有人推测梦可能有助于对记忆的整固，这主要是基于一种经验，即缺少睡眠（因此也减少了做梦）会导致记忆力减退。问题是，记忆也不是白天事件的精确重复，而且绝大部分梦都被忘掉了，这如何能整固记忆呢？有人认为，梦是对心的重新编程，但为何以及如何这样呢？ 在睡眠状态下，大脑几乎切断了与外部世界直接的感官联系（如关闭了视觉），这样，梦及其中的景或人只能来源于储存在大脑中的记忆。因此，梦的特性应该可以袒露一些记忆的秘密。我们能梦见我们曾经见过的亲人、朋友、动物、房子、河流……它们也能在梦中组合出一些情节，有时合理，有时离奇……，在梦境中的人物还能跨越时空……在我们的记忆中似乎保存了这些模块及一些情节片段。这是为什么呢？ 生命的演化就是一个不断的模块化过程——生物大分子（核酸、蛋白质、多糖等）由一些小的分子模块拼接而成，真核细胞由一些共生的原核细胞特化而成的细胞器功能性地整合而成，动植物体则包含无数微小的细胞，它们功能性地整合成各种组织和器官，并通过模块化的发育程序构建复杂的躯体，物种的演化就是一系列发育模块的重组。难道只有记忆会脱离这种普遍的模块化原理吗？ 模块在心理学领域亦受到过一定关注。十八世纪的颅相学是在倡导一种心理模块，它被现代的脑功能分区所取代，但不是为了解释记忆原理。20世纪初出现的格式塔心理学论述了对图形视觉过程中人的心理活动规律，但不涉及记忆原理。20世纪50年代Donald O. Hebb提出的“细胞集群”概念，但过于微观。20世纪80年代Jerry A. Fodor提出的心理模块虽然富于启迪性，但停留于孤立的模块特性描述。 在模块化的生命世界中，记忆绝不会顾影自怜。本书斗胆提出了一个新的理论——记忆模块学说（memory module hypothesis），可以很好地解释人类的记忆特征、我们为何做梦以及梦的特征，亦与记忆分子的标记证据相吻合。从进化上来看，类型模块可满足对动态环境的适应需要，亦可满足快速决策的需要。我甚至曾打算将本书取名为“模块认知心理学（Modular Cognitive Psychology）”或“梦——袒露了大脑的终极秘密（Disclosure of the Brain’s UltimateMysteries by Dreams）”，虽然很快打消了念头，因为这些题目仅能涵盖本书的部分内容。 十、人脑的终极秘密——用“未知”打开“未知”？ 大脑的精神产物——人性与心智是难以预测的。在我们不足百年的人生之旅，外部现实不断地塑造着我们的内心——铸造理性、理智、智慧......，我们的心境跌宕起伏——放纵、炫耀、奢望、贪念、幻想、沮丧或绝望......，一些人性情彪悍，像脱缰的野马，而另一些人萎顿不堪，像长久被关在圈里的羊羔......一些人聪明伶俐，而另一些人愚昧笨掘......一些人似天国的爱神，而另一些人如地狱的恶犬......为何同样一个大脑却产生出如此不同的性情与心智？ 其实，即使是今天，我们都还不知道为何我们的肉体会形成这样那样的主观意识——宛如车水马龙的诗章，或更似不会再现的绝唱，此时，已经消逝的又化为了现实，虽然是在朦胧与虚拟之中。然而，雾霭与惆怅常常笼罩着一些可怜的病人，剥夺着他们的感官体验与情感思维。 一方面，在文明之光被点亮之前的原始人类，只是为了满足其在大自然中的野性生存，因此，绝不需要承载像今天如此之多的复杂知识的记忆，譬如，只需要辨别眼前的花草果木以便充饥果腹，需要认清豺狼野兽以免惨遭杀戮，当然还要学习一些关于渔猎、哺幼、用火、制作工具等方面的技能……人类从野性荒蛮之中的解脱在进化的历史上来看，只是一个短短的瞬间，因此，切忌按现在人脑的法则来复杂化本性纯朴的生物学大脑。 另一方面，我们用这个神奇的大脑创造了自然界的最大奇迹，但我们却不知道这个大脑是如何实现这一壮举的。美国学者Neil R. Carlson在《生理心理学》一书中说，“这个世界最后一个有待开发的领域——也许是最重要的——就是我们自身。人类神经系统使我们所能做的，所能了解的，所能体验的一切成为可能。它的复杂性无与伦比，研究它、理解它的任务使先前对我们自身的所有探索都相形见绌”（Carlson 2007）。Eccles（1989）问道，“每个人主观上都有精神统一性的经验……然而大脑有几乎无数种不同的神经活动模式。神经活动的这种多样极端性又是怎样每时每刻地整合成我们所体验到的统一性的呢”？ 我们虽然对自己的大脑是如何工作的几乎一无所知，但却凭借它从森罗万象的表象中抽象出了精致迷人的本质，进而构筑了惊天的知识与技术体系，籍此，我们彻底地征服了大自然......但是，我们能否用这个“未知的”大脑所建立起来的知识体系返回来打开它自身这个未知的黑箱呢？我们能否演奏出一个旖旎的和音？ 我很欣赏这样的名言：很多科学奠基者都是在大自然面前非常谦逊而对权威抱有怀疑的人 （Merton 1938，Hooykaas 1972）。我们的经验之路由平淡无奇的青枝绿叶所铺垫，是理性在认知的荒原上点缀上了朵朵鲜花，最后，超凡脱俗的天才再用它们编织出彩绘缤纷的荣冠，这——是一种智慧的奔涌，真理的顿悟，滋养与启发一切世人！ 本文源自下列新书（正在排版刊印中，预计2017年6月印出）的前言： 谢平. 2017. 拨开经典的迷雾，袒露大脑的秘密——学习、记忆、梦和意识. 科学出版社，北京（Xie P. 2017. Overturning Traditional Theories, and Disclosing Brain's Mysteries - Learning, Memory, Dreams and Consciousness. Science Press, Beijing） 【重磅】未来科技学院前沿科技趋势学习班 （2017第一期）报名 每一次人类社会的重大技术变革都会导致新的科学革命，互联网与人工智能对于人类的影响已经远远超过了大工业革命。人工智能、互联网、脑科学、虚拟现实、机器人、生物基因等领域正在相互融合，形成一股强大的洪流，对人类社会的各个领域产生巨大的影响。 一日千里的科技进展，层出不穷的新概念，使企业家，投资人和社会大众面临巨大的科技发展压力，前沿科技现状和未来发展方向是什么？社会大众，企业家和投资家如何应对新科学技术带来的挑战？ 在科学院大数据与知识管理重点实验室，泰智会，人工智能学家的支持下，未来科技学院邀请国内和国际著名科学家、科技企业家讲授人工智能、互联网、脑科学、虚拟现实、机器人，3D打印、生物基因等领域的基本原理和未来发展趋势。欢迎投资界、企业界，科研机构的人士参加。 未来科技学院第一期前沿科技趋势学习班将在2017年2月下旬（2月24日-26日）在北京中关村互联网金融中心1楼未来科技讲堂举办。线下集中学习三天，之后学员将通过未来科技学院的线上平台进行更多前沿科技讲座学习和答疑互动。集中学习期间，将举办未来科技交流酒会，加强学员以及专家之间的沟通交流。 未来科技学院第一期学员将受邀加入未来科技学院的“未来科技创新促进会”，共享未来科技学院的高端科学家、企业家和投资人资源，共同解决企业和投资过程中遇到的科技问题；参与前沿科技未来发展重大课题研究；参加未来科技学院组织的讲座、参观和会议；选择投资未来科技学院孵化的前沿科技创新创业项目。 |
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