每秒24幅的静态新万博体育直播画面让感知神经形成动态意识

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文章关键词:新万博体育官方网站,脑功能模块

  在自然科学高度发达的今天,人类对大脑活动机制的解释仍然无法形成完整的理论体系。虽然脑内神经网络极为复杂、神经元数量多至百亿或千亿的海量单位,但是,神经元首先是一个独立的细胞,突触关联并未有实质性的连接。基于自然进化的简约法,本文提出神经元以集群的方式形成模块化功能,各模块之间的信息传递以无线电波为媒介;生物性的神经元与物理性的电信息通过神经元的振荡特性和自然界的共振机制完成融合。不同功能模块的相互协作形成意识感知和意识体验。端脑仅是一个记忆信息的储存组织,神经网络只是突触关联形成的记忆储存单元,神经元之间并不存在信息传导。可变的记忆网络模式才是大脑智慧的核心。

  神经元是生命的最小单位,单独的一个神经元不可能具备太多的功能,当大量同类神经元集群形成同一功能目标时,神经元群体的力量才会将模块的功能无限发挥。不同的模块承担不同的功能,模块之间的相互协作促使生命在进化中形成了意识感知和意识体验。因此,复杂的大脑可简化的四大类神经功能模块,即:外部信息采集模块、信息整合发送模块、信息接收感知模块和记忆信息储存模块。虽然某些微观层面的生命奥秘暂时无法完全揭开,但是“模块化集群功能”构建的大脑活动模型与人类及其他生命个体的行为表现有着完全一致的拟合性[1]。(如图)

  1、外部信息采集模块:视网膜细胞、味蕾细胞、新万博体育直播内耳毛细胞、嗅细胞等都是以这样的集群方式形成独立模块。单一的功能、强大的信息采集能力和适应生存环境需要而进行的功能强度调节是模块化集群的优势所在。人类视网膜神经元群能分辨出400~760nm的光波信号,许多夜行动物的视网膜神经元集群更倾向于采集800nm以上的光波信号;人类的内耳毛细胞能采集到20~20000HZ声波振动频率,对于20HZ以下振动频率的地震波,人类不敏感,而动物却非常敏感。可以肯定地说,没有外部神经元群信息采集趋向的调整,就不会有脑内神经感知趋势的变化。人们熟悉的近视眼或老化眼,就是因为前端的光信息采集精度降低,以致于脑内信息传递、接收形成的神经感知的辨识度不高,形成的意识感知自然就模糊不清。

  2、信息整合发送模块:视、闻、嗅、味、触对应的各神经模块采集的不同外部信号,必须转化为大脑内部神经元可识别的电信号。由神经解剖可知,遍及肌体各有组织及器官的神经网络最终都汇聚在脊髓、脑干和中脑部位,进入颅内的神经同样以集群的方式,在脑干、丘脑等部位形成各自独立的神经核团。由于神经核团实在太小,核团内或许包裹着百万个、千万个、甚至上亿个神经元胞体。这些神经核团的功能、作用、特性、内部机制虽然并不清楚,但是,如果假设这些神经核就是“信息编码器”或“信号转换器”,则大脑的信息传递流程基本就是图示的走向。

  承担“信息转换器”功能的神经核可作如下模型描述:神经核内的每一个神经元都将各自的轴突伸向外部信息采集模块(体表),由轴突末端采集的外部信号,引发轴突微管内离子发生运动,最终被转变成神经元胞体状态的改变(此处不存在信号传导,只是同一神经元的内部活动)。神经核以振荡的方式整合各神经元的状态改变信息,并向外发送无线电波,“信息编码”转换过程即告完成。

  显然,神经核内每个神经元都有自己状态改变形成的电波频率,各神经元产生的电波频率被加载到神经核的共振频率之上。因此,脑内传递的单位信息长度就是神经核的一个振荡周期,不同的神经核有不同的单位信息长度。对于视信息而言,一个振荡周期的单位信息长度或许就是40毫秒(1/24秒),包含的信息量就是映射在视网膜上的一幅视图。若将神经核中一个神经元产生的频率认定为一个信息点位,则神经核振荡形成的信息量将是百万位至千万位的并行处理能力。这是32位或64位标准的现代计算机远不能比拟的并行处理能力。虽然神经的机械活动速度不及计算机的电流运行速度,但是,神经元模块化集群产生的巨量的并行处理信息是计算机无法解决的难题。

  以视信息为例,视网膜与脑内的外侧膝状体核之间连接着1500万个神经纤维。观看电影画面时,每一格画面的光信息经眼球晶体折射,在视网膜上形成一幅微缩的彩色图画。光点信息被转换成无线秒一幅视图的信息量为单位不停地连续发送。这是电影放映速度的实验数据归纳结论,因为人们观看每秒16格画面的早期电影时,明显感觉到画面的动作不连贯,原因就在于银幕上每秒16格的画面更换速度与脑内24HZ的信息转换频率不同步,有些画格会发送两次电波,另一些画格被遗漏掉。信息到达后端,神经活动形成的意识感知自然就不连贯。心理学研究一直将此现象解释为视觉暂留,显然属于误解。

  3、信息接收感知模块:神经核发送的电波信息,被大脑中的另一个具有感知能力的神经元模块接收、形成神经感知。当神经感知数量达到一定规模并形成有序的差异化组合时,即为人类所称的意识现象。显然,所谓意识现象必须具备三个条件:第一,参与活动的神经必须具有感知特性,比如端脑神经模块就不属于感知神经范畴,因为脑外科手术期间无需麻醉即可切除端脑中的任何神经病灶。第二,参与感知活动的神经必须达到一定的数量规模,并形成差异化的有序组合。第三,感知神经的活动持续时间必须达到某一阈值。电影放映期间,每秒24幅的静态画面让感知神经形成动态意识,原因在于电影的前后两幅画面的电波信息非常相近,出现差异的仅是画中的一小部分信息。也就是说,电波中相同的信息并未让感知神经转变状态,而不同的信息促使对应的感知神经状态改变,形成的综合状态就是一辆运动中的汽车或一个动态的人物。作为一个很好的实验例证,江苏卫视《最强大脑》的“捕风捉影”节目中,在电影片段中单独插入一幅外来的电影画面,挑战选手在1/24秒的持续时间内感知到这幅画面全部信息内容。而所有其他参与观看的嘉宾和观众均未感知到任何画面信息,更谈不上意识概念的形成。

  所有的感知现象形成均以神经的活动为前提,促使感知神经活动的源头是神经核发送的外部电波信息和端脑发送的记忆储存信息。电波信息与神经活动之间的转换规则是物理学的共振原理,即电波频率与神经固有频率相同而共振。参与感知活动的神经元模块分为两大部分,即中脑部位的网状结构神经元群和颅外运动神经系统。前者形成神经活动的差异感知,后者形成生命的体验感知,两者既独立又相关。现有的大量研究表明位于丘脑和脑干部位的众多网状结构神经元群与意识有直接关系,教科书将网状结构神经元群功能仅解释为与清醒有关。

  4、记忆信息储存模块:端脑的任何一部分伤残病变,或因肿瘤切除都不影响整体生命的存活,新万博体育直播但会丢失以往储存的信息内容,或导致生命的局部功能丧失,脑外科手术中的极端病例是切除整个大脑半球(左半球或右半球),有报导认为2岁以前切除的病人康复后对生存功能的影响较小[2]。在对某些先天脑瘫病人的治疗中,北京武警总医院在脑干细胞移植治疗方面积累了大量佐证病例。通过脑干细胞移植诱导神经元生长,新万博体育直播弥补脑部缺失的空位,肢体活动产生的记忆信息有了储存的神经元,脑瘫病人通过行走训练恢复了正常人的活动功能。

  加拿大神经学家Wilder Penfield是最早发现端脑储存记忆信息的研究者。作为脑外科医生Penfield在对上千例癫痫病人的手术切除中,采用电极刺激的方法鉴别病灶与健康神经之间的界限,根据电刺激引发的病人躯体反应记录,画出了大脑皮层的“小人图”,之后大量类同的研究也表明,人类躯体活动最充分的地方,大脑皮层对应区域的面积也相应地扩大。在Penfield的手术记录中,当电极刺激到某些部位时,病人记忆信息恢复就象录音磁带或录像带的重播[3]。此外,大量神经解剖实验发现,傻子的端脑神经元与婴儿的结构非常类同,因为大脑中没有储存下太多的记忆信息。所有这些研究资料,全都证明端脑作为记忆信息的储存单元是一个不争的事实。

  上世纪九十年代初,德国的两个研究小组在猫的视皮层发现了振荡现象[4],之后,有关神经元振荡机制的研究被不断地深入。二十多年来,对于神经元振荡现象在大脑活动机制中所起的作用,一直来未有明确的定论。如果将神经元振荡现象纳入物理学规则之中分析,则振荡现象就是神经元发放无线电波的必要条件。

  端脑皮层表面以沟和回的分隔结构形成自然区块。若一个区块内所有神经元的轴突固有频率都相同,则,该区块在受到外来同频电波影响时,必将会同时产生共振。区块的共振频率既与本区块内各神经元的轴突相关,也与对应神经核的振荡频率相关。在大脑工作期间,尽管神经核发放的无线电波的传递速度非常惊人,但端脑神经元接收电波时的活动速度必须遵循机械运动规则,因此,处于共振状态的端脑功能区块,恰好使得每个神经元均处在信息接收或发送的工作待命状态。相反,如果神经元的活动每次都从静态转为动态,则其响应速度就无法与神经核的振荡匹配。此外,区块共振提高了电波发送时的总体电位,单个神经元发放的电波自然成了区块振荡电波的加载信息。这一活动模型机制与F.Crick在《惊人的假说》一书中描述的神经元活动现象高度一致:这种神经元发出的脉冲并不随机出现,而是和局域的振荡“合拍”[5]。

  生命活动期间通常可感受到光、振动波、化学物质和表面接触等四大类外部信号。这些信号采集后进入颅内被统一转换成神经元可识别的电信号。记忆就是将这些电信号转变成神经元自身的状态改变,使其成为电波信息的储存标记。

  根据树突的可塑性和树突内部纳米尺寸微管的离子运动特征等已有研究成果,可以预见,记忆就是电波信息与神经元生物学结构改变形成的对应关系。接收信息时:树突自身结构及尺寸形成的固有频率与电波中的信息元素(频率)形成共振对应;发放信息时:树突微管中离子振荡空腔的结构形态决定着电波频率的高低,在天线科学中电波频率高低与谐振空腔尺寸成反比。一个胞体直径只有微米尺度的神经元周长着成千上万个树突,并处在随时可塑之中,这是自然进化的规律使然。

  生命诞生后,婴幼儿成长过程中所有外部信息对视闻嗅味触形成的初次感知均成为端脑信息储存的基础单位(Bi)。起始阶段,这些基础单位信息(Bi)储存非常简单和粗糙。以视信息为例,当第一次的外部光信息映射在视网膜上时,外侧膝状体核将视网膜上的图像光点转换成振荡电波发送。一个振荡周期的电波中包含了神经核内百万或千万个神经元各自的信息特征(频率)。大脑活动期间,神经核的振荡频率与端脑视区的振荡频率处在同步状态。此时,当电波信息中各信息元素(频率)的集合与视区域中的某一神经元的树突元素(结构尺寸)的集合形成一一对应时,则,该神经元获得了谐振机会。被谐振过的神经元失去了生命诞生时的“处态”,树突在尼氏体细胞质的作用下,相应的结构尺寸发生了改变。于是,电波信息与神经元树突的结构对应关系被建立起来--电波信息被储存成为千万个树突的结构集合。如果下一次完全相同的电波信息在颅内出现,端脑中唯一对应的神经元随之被谐振激活,记忆信息随该脑区的振荡而发放。这或许就是巴甫洛夫条件反射理论在神经活动机制中的具体解释。若以数学概念表述,则:

  Ai ={(X,Y)∣X=各树突产生的载波频率,Y=皮层功能区振荡频率,同时对应于神经核的振荡频率 }

  Bi={(X′,Y′)∣X′=各树突结构尺寸,Y′=端脑功能区域的共振频率 }

  当Ai与Bi形成对应或高度相似时,神经元发生谐振.电波信息与神经生物储存的对应关系形成。

  在婴幼儿成长过程中,端脑各区域信息储存的基本单位(Bi)积累到一定程度之后,大脑对外部世界的感知能力开始提升。如视网膜信息的采集开始由简单的视图处理逐步向复杂转变。当视网膜上产生的光信息视图中包含两个或两个以上基本单位信息(Bi)时,则视神经核发送的电波也相应地增加了信息量,此时端脑对应视区被谐振的神经元不再是原来的单个神经元,而是电波中所包含的两个或两个以上的对应神经元。因为电波的速度远快于神经的机械运动速度,所以,若干个神经元几乎在同时接收到电波信号、同时被谐振激活。处在同时活动的神经元,将自动通过树突末端或轴突末端进行突触关联,脑内同一时刻的感知信息被作为一个记忆事件组成新的网络结构。突触关联越紧,结构记忆越稳定;突触的可塑性既与个体的遗传基因有关,也与突触关联的重复次数有关。学习、遗忘、复习的循环就是突触的关联、松脱、再关联的神经机制过程。

  Ci={(A1,A2,A3,…,An)∣A=基础单位视图所含的电波信息}

  Zi={(B1,B2,B3,…,Bn)∣B=储存基础单位视图信息的神经元}

  大脑各区域基础单位信息 (Bi) 的储存通常形成于年幼时期,尤其在生命成长初期,神经尚处于稚嫩阶段,端脑中大部分神经均处在“处态”。过了神经的稚嫩期,虽然还能储存一些基础单位信息 (Bi),但更多的储存活动是以突触关联的结构记忆形式产生。这一规律可从人类的语言学习中找出规律,婴幼儿开口说话之前很长一段时期是不与成人交流的,而一旦开口,就会在很短时期内说出很流利、并很有逻辑的语言。开口之前,大量的短语、词组等信息被作为基础单位信息 (Bi)已在端脑的语言区储存,突触关联发挥了水到渠成的作用。随着语言表达的持续进行,许多常用的语言成了固定的关联结构。推而广之,事件化记忆继续延伸,从小背会的成语、唐诗宋词被突触关联成大量的流程化网络模块。之后,一当旁人说出上句,你会情不自禁地说出下句[6]。但是,由于突触关联具有单向性,当对方说出组合中的后一句,而你要补上前一句,突然感觉不那么容易了。

  人类一生经历的海量信息曾经都被端脑神经元储存过一次以上,而大脑的储存量似乎永无止境,事实并非如此。突触的可塑性功能早已将大量不重要的结构记忆松脱掉了。所谓工作记忆或短期记忆完全取决于突触关联的松紧程度,你工作活动中发生的大量信息,突触仅是轻轻地关联了一下,过不了多久即被松脱。同样原因,随着年龄增大,突触的关联功能变弱,相对于年轻时更容易健忘。直到老年肌体退化后突触完全失效甚至出现AD类疾病,这是生命的规律,只有健康用脑才是王道。

  神经网络并不是信息的传导通路,而是记忆信息储存架构的外在表现。人类智慧的核心是突触的关联数量和关联模式。突触关联的模式越多,认知的程度越高,因为,大脑活动时记忆信息发送的电波既是过去事件的恢复,更是电波信号的一种组合模式,中国古人所说的“触类旁通”在电信息的意义上就是脑内类同信号模式的谐振感知,就是认知的创新,认知与创新的结合才是智慧。记忆信息的储存并非越多越好,知识的获取越来越容易,孤立的信息储存并无太大的价值。无论是过去、现在还是将来,造就一个智慧的大脑最为重要。作为结束语,笔者特别反对以灌输知识为目的、以考试分数为中心的教育模式,这样的教育模式只能让端脑储存大量孤立的记忆信息,不仅消耗了有限的神经资源、阻碍了大脑的发展,而且因为信息储存中缺少了合理的网络化架构,端脑中产生不出美妙的信息内容,生活的内涵也变得枯淡无味,创新更成了奢望。钱学森之问还会延续。

  [1] 钟振余. 意识的物理学原理和记忆的生物学机制.宁波大学学报(理工版). 2015(1): 118-124

  [2] 陈旭,胡航,程立冬等,功能性大脑半球切除术治疗儿童半球病变致难治性癫痫24例,实用医学杂志2014(6):857-860

  [3] 狄海波, 人类大脑神经高级功能: 临床实验性研究[M],上海,上海教育出版社, 2010.8。

  人工智能学家是权威的前沿科技媒体和研究机构,2016年2月成立人工智能与互联网进化实验室(AIE Lab),重点研究互联网,人工智能,脑科学,虚拟现实,机器人,移动互联网等领域的未来发展趋势和重大科学问题。

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