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大脑可能具有自由意志

2008-03-02
大脑,自由意志
PLoS One:大脑可能具有自由意志

图片说明:在没有受到任何外来刺激的情况下,果蝇自发地改变了飞行方向。
(图片来源:REUTERS/Bjoern Brembs/Handout)

德国科学家最近研究发现,在没有任何外界刺激的情况下,果蝇能自发地改变飞行方向。研究者表示,这一发现表明自由意志不仅可能存在,而且可能是大脑的一项基本功能。该项研究是由自由柏林大学(Free University Berlin in Germany)的神经生物学家Bjorn Brembs领导的,研究成果发表在PLoS One上。

一直以来,神经科学家一直宣称自由意志并不存在,根据是加州大学旧金山分校的神经学家Benjamin Libe于上世纪80年代所做的工作。他曾发现,在人作出明确的行为决定之前,大脑已经开始了行为的过程。神经科学家们表示,这种所谓的“潜意识准备”( readiness potential)表明大脑只是简单地对外部刺激作出反应,而意识只是大脑用来合理调控它已经作出的行动的方式。Brembs表示,“很多著名的人士都认为,大脑的功能只是在于将传入信号转换成输出信号。”

那么,如果没有传入信号会怎么样呢? Brembs和他的同事设计了一个果蝇实验。Brembs表示,他们选用果蝇的原因在于人们经常认为动物特别是昆虫很机械,只会对外部刺激作出反应。他们将单独的一只果蝇固定在一个纯白色(为避免视觉刺激)的小室里,并记录下它转向的意图。用多个果蝇多次重复之后,他们对得到的数据进行了分析。

结果令人十分意外。Brembs说,他本以为结果会是毫无规律的运动和声音模式,就如收音机调台时两个频道之间的那种嘈杂声。结果相反,果蝇的飞行模式是由大脑自发产生的,并且有章可循。“果蝇变换不定的左飞或右飞的决定是由大脑决定的”,Brembs说。他表示,这一发现揭示了一种可能会形成自由意志的生物基础的机制。“我并不认为我们已经从果蝇身上发现了意识”,他说,“这就好比盖房子时最初的几块砖,缺少了它们你就无法继续。”

参与数据分析的加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所(Scripps Institution of Oceanography at the University of California San Diego)的数学生物学家George Sugihara说,果蝇选择的变化模式显示了很多生物学过程都具有的一种典型的非线性特征。“我们表明自由意志可以存在,但我们并没有证明它的存在。”Sugihara说,“我们的结果排除了另外两种对于这种自发转向行为的解释,它们分别被命名为‘随机论’和‘纯粹决定论’,并均与自由意志相抵触。”

Sugihara认为,这一结果在简单的决定论(把大脑当成简单的输入输出设备)和完全的随机行为之间开拓了新的中间地带。“我们推测,如果自由意志存在的话,它应该就存在于这个中间地带”,他说。(科学网 梅进/编译)
Order in Spontaneous Behavior
Alexander Maye1, Chih-hao Hsieh2, George Sugihara2, Björn Brembs3*

1 Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Zentrum für Experimentelle Medizin, Institut für Neurophysiologie und Pathophysiologie, Hamburg, Germany, 2 Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego, La Jolla, California, United States of America, 3 Freie Universität Berlin, Institut für Biologie–Neurobiologie, Berlin, Germany

Abstract
Brains are usually described as input/output systems: they transform sensory input into motor output. However, the motor output of brains (behavior) is notoriously variable, even under identical sensory conditions. The question of whether this behavioral variability merely reflects residual deviations due to extrinsic random 1noise in such otherwise deterministic systems or an intrinsic, adaptive indeterminacy trait is central for the basic understanding of brain function. Instead of random noise, we find a fractal order (resembling 1Lévy flights) in the temporal structure of spontaneous flight maneuvers in tethered Drosophila fruit flies. Lévy-like probabilistic behavior patterns are evolutionarily conserved, suggesting a general neural mechanism underlying spontaneous behavior. Drosophila can produce these patterns endogenously, without any external cues. The fly's behavior is controlled by brain circuits which operate as a 1nonlinear system with unstable dynamics far from equilibrium. These findings suggest that both general models of brain function and autonomous agents ought to include biologically relevant nonlinear, endogenous behavior-initiating mechanisms if they strive to realistically simulate biological brains or out-compete other agents.

Citation: Maye A, Hsieh C, Sugihara G, Brembs B (2007) Order in Spontaneous Behavior. PLoS ONE 2(5): e443. doi:10.1371/journal.pone.0000443

Academic Editor: Martin Giurfa, Centre de Recherches su la Cognition Animale-Centre National de la Recherche Scientifique and Université Paul Sabatier, France

Received: October 23, 2006; Accepted: April 18, 2007; Published: May 16, 2007

Copyright: © 2007 Maye et al. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.

Funding: Supported by the DFG (BR 1893/3-2)

Competing interests: The authors have declared that no competing interests exist.

本栏目主要介绍人类的故事,包括人类的进化、人类的起源、人类学、人类研究、人类基因发现、大脑可能具有自由意志等。特别关注有关人与文化方面的研究。

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