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为什么你需要计算神经科学

2014-01-25
计算神经科学,神经科学
为什么你需要计算神经科学

今天大大喜事,万门网站公布,从此又有好玩的东西。仅以此文献给刚刚发布的万门大学网站,弘扬万门知识创造乐趣的精神。 @童哲(41893570)

前言:本人系以色列理工学院(technion)计算神经科学博士生,前沿问题希望大家想着来推翻我,写这篇文章就是引起大家讨论的兴趣,希望能聚一批朋友语更深入的讨论。

我想大家看到这个题目已经被吓到了。什么? 计算神经科学? 神经科学已经够冷门吓人的了, 还计算神经科学? 我都不知道是什么,还问我需不要要? 要么是忽悠人的吧? 作者有病吧? 我想说的是,计算神经科学,真的要的。

先说计算神经科学是什么,简而言之,计算神经科学是把大脑看成一个信息处理的器件,用数学物理的方法研究生物的大脑是怎么干事情的,例如学习,记忆,情感,意识等等。它和你有什么关系?

1. 心理学的启示

我先改变一下我们讨论的题目,你需不需要心理学?

我想瞬间大家会达到共识。看看网上转载的东西有多少和心理有关,从星座分析到心理测试题。我们日常生活里内心的迷惘实在太多。没钱的人烦恼有钱的人依然烦恼,当然也有人没钱快乐有钱依然快乐。我们在问,到底为什么,究竟怎么办? 心理学,当然要的。


但是心理学是否解决了我们对自身灵魂的焦虑呢? 只要看看网上有多少人迷恋于星座分析就知道了。我们能够登上火星,我们对自己性格的了解却还需要靠翻越黄历。心理学家像极了古希腊的哲学,它让我们看到了问题,却更加暴露了我们的迷茫和解决问题的无力,也因此给了许多披着科学外衣实际等同占星术的“流行心理学"以温床.


网上流行过一个著名的心理测试题目,号称旋转舞女实验。我们看到图片里一个裸女在跳舞, 但是有的人看到她向逆时针转有的人看到她顺时针转。据说看到顺时针转的人是右脑型情感发达,看到逆时针转的是左脑型逻辑发达,而看到向两边转的就是天才(为什么不说是精神分裂?)。


你会相信他吗? 至少我身边很多人是信以为真的,总比星座看起来合理多了。


其实这个是纯属扯谈。 第一,这是个经典的视觉错觉实验(perception bistability),没有证据表明它和左右脑有联系。第二,流行心理学里笼统的左右脑分工,也缺乏足够证据。我目前知道的是人在做大多数任务的时候都要同时用到左右脑,没有证据支撑哪个大脑比较多逻辑哪个比较多情感的说法。这个东西不仅网上火了几年,居然被当成许多老师教育孩子的材料。

*左右脑在完成任务时候当然有分别,但是方式非常复杂。

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图:旋转舞女,你看她是顺时针还是逆时针转的。

动画请见:The spinning dancer http://en.wikipedia.org/wiki/Spinning_Dancer

为什么这么冠冕堂皇的谎言会能大行其道搞懵一批又一批人?因为我们对我们自己的大脑所知太少,一个说法出来,我们既没法证实它也没法证伪它,好比一个正确与错误难分界限的灰色地带,而由于其中问题对人生活的重要性,只要骗子挥挥手就能引来一批又一批的受众,需要的人自然可以在其中找到精神安慰。

舞女的例子其实是众多神奇的心理学试验中(被滥用了)的一个,它为我们揭示了大脑认知过程包含的很多不为人知的侧面,虽然每天发生在我们生活中我们却无法觉察。

那么为什么我们会看到图中的舞女在向左转或向右转?

单纯的传统心理学已经很难回答这个问题,因为他已经开始涉及大脑处理信息的深层机制。人工智能的伟大先驱阿兰图灵通过对这一问题的思考发明了计算机的通用原理,他告诉我们,如果一个系统想要解决复杂的问题,它最有力的工具是-计算。想要了解这个问题,就要解构大脑对信息的表达方式。

* 将认知现象归结于大脑深层运算规律的伟大先驱是生成语法的提出者Noam Chomsky,他认为不同语言之间存在着相同的深层语法结构,为我们指出背后人类认知与大脑处理信息的深层机制深刻的对应性。


2.大脑像台超级计算机。


我们再回到旋转舞女的例子。裸女无论是顺时针转还是逆时针转,都是你的幻觉。因为真实世界的裸女的旋转是发生在三维空间,而这张电脑图像是个二维图,它描绘的是一个唯一确定的左右振动(物理书里常见的单摆)。 二维图所包含的信息量本来就不能重构三维世界,之所以我们能够感知到三维世界的转动是因为大脑在做他最擅长的工作—-推断和模式识别(inference and pattern recognition),大脑在把看到的现象归类于它熟悉的现象的过程中添加了大量本来不存在的信息。 大脑太擅长模式识别,你看了什么是因为你想要看到什么,那个什么早在你的大脑预先存在。就想很多神经科学家指出的,我们的大脑里有个自己的世界(internal world),我们错以为它就是真实世界本身,其实它只与真实世界相切。它试图通过计算,模拟真实世界。


首先我们基于日常生活的大量观测形成了物体旋转的概念以及它所有的两个状态-顺时针和逆时针。 什么叫概念? 概念=大脑对真实世界所做的模型(internal representation of external world)。好比刚出生的婴儿没有物体的概念(concept of object),他们无法理解在视觉范围内的某个东西的移动,旋转,变化,消失其实是一个东西在运动过程中的不同形态,他们无法理解如果闭上眼睛物体的画面消失,它们也依然存在。 婴儿在大量的摸索中学了物体的概念,认识到上述一切,在万千变化中找到物体这个不变的东西。然后在大脑里做个模型把那些变化套在“物体”这个不变的概念里。


什么叫学习到一个概念? 你要是学过计算机编程,就知道这其实类似于那些object, class 一类的东西。class其实是一个变量组合加上一些作用于他们之上的函数,是对真实事物建立的一个小模型。神经系统就像一个超级计算机,把经常一起出现的一些感官,比如各种视觉,听觉,嗅觉信号综合成一个变量组合。比如苹果这个概念,就是一个概念。一个红色的圆形的硬的物体,有香气咬一口很甜。 变量组合=颜色+形状+味觉+触觉,咬一口很甜就是一个函数关系,给这个物体输入一个动作=咬一口,返回一个结果=很甜。符合这类属性的一大类东西都被大脑放进苹果这个篮子(class)里。


大脑的基本功能就是模式识别和分类决断(classification machine),根据已经掌握的概念推断一个东西是不是属于其中。比如一个圆形的东西是不是一个苹果还是一个皮球。这个对生物的生存特别重要,因为他要做决策,是苹果还是皮球,决定了吃还是不吃,生存还是毁灭,这是一个问题。


回到舞女,真实世界的舞女顺时针还是逆时针旋转,投影到二维平面,都可能取得动画里的效果,你认定她的方向关键你大脑里当时被激活的是逆时针还是顺时针的模型,具体点是看对哪只脚在前和在后的判断,图像里的阴影没有这个信息,它是你大脑添加的。你大脑在你不知不觉中添加了这个本来没有的信息,然后你就看到她是顺时针转或者逆时针转的。

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图:旋转舞女的前后脚,被大脑添加的信息。%

本栏目主要介绍科学技术方面,包括现代科学研究成果、现代科技、现代科学技术、为什么你需要计算神经科学等。特别关注有关人与文化的价值方面的研究。

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