中國科學院水生生物研究所研究員 謝平教授授權發(fā)布

七,、還原視覺的真相——非編碼二步式并行傳輸模型

我們的視覺表象上看似復雜，因為沿著視路（圖6）的各種神經(jīng)細胞的多樣性以及它們之間對應關系的復雜性可謂令人眼花繚亂：①存在不同的感光神經(jīng)元,，②存在不同的神經(jīng)節(jié)細胞,，③存在特征分離的神經(jīng)通道，以及④存在視網(wǎng)膜中感光細胞與神經(jīng)節(jié)細胞的類型對應,、再與外側膝狀體細胞的類型對應,、進而再與視皮層細胞的類型對應、還有視皮層中的簡單細胞-復雜細胞-超復雜細胞的對應……等等,。但是,，這些都不意味視覺信息就一定需要被肢解成諸如顏色,、形狀、明暗,、動作等不同的特征來進行傳輸,。

圖6 大腦的主要分區(qū)以及穿越其中的視路

（LGN：外側膝狀體，MT：顳中區(qū)）（來源：http://www./notes/Learning/Psychology/Biological%20Psycology.html）

在此,，筆者提出一個新的設想,，稱為非編碼二步式并行傳輸（Non-coding two-step parallel transportation）模型，這種傳輸是在多種特征性神經(jīng)纖維或微通道（multiple featured nerve fiber or microchannels）中進行的,。簡單地說,，該模型認為，大腦神經(jīng)系統(tǒng)分二步同時使用著多種不同特性的通道對視覺信息進行傳輸,，視中樞對傳遞而來的關于同一個景物的視覺信息進行同步感知（synchronousperception）,。因此，視覺過程并不需要任何編碼與解碼,，也不存在壓縮與解壓縮（圖7）,。

圖7 關于視覺信息的非編碼二步式并行傳輸（Non-coding two-step parallel transportation）模型

第一步是利用多種特征性神經(jīng)纖維進行的光點傳輸，路徑是從視網(wǎng)膜出發(fā),，經(jīng)由丘腦外側膝狀體,，最后到達紋狀皮層（V1）。光點傳輸?shù)淖C據(jù)是視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞和丘腦外側膝狀體神經(jīng)元的感受野均是對光點敏感的同心圓結構（中心和周邊相互拮抗）,?？梢栽O想，不同的神經(jīng)纖維具有不同的效應分子（圖7中的a,，b,，c，d,，e……）,，因此可傳遞不同的特性（如顏色、敏感,、深度等）,。因有足夠多的神經(jīng)纖維，按一定比例排列的特征性神經(jīng)傳輸纖維可以滿足對景物的分辨率,。

第二步是利用多種特征性微通道并行傳輸,，路徑是從V1到視覺的終點——視中樞。V1及其它視區(qū)的神經(jīng)元通過自身的特征性分子及其適當?shù)目臻g配置組織成不同的功能柱（斑點柱,、朝向柱,、眼優(yōu)勢柱等）和超柱，并以圖形要素（線條,、邊界等）以及最終以整體的形式感知來自LGN的光點信息,。形象地說,，視皮層就像一臺可同時觀看的多（微）通道（以功能超柱為單位）望遠鏡，不同微通道中的鏡片就是不同特征的生物大分子,，而大量的微通道就可以滿足對景物不同特征的視覺分辨,。圖7中的A、B,、C和D等表示設想的不同效應分子（如蛋白質）,。顏色、運動,、形狀等不同的視覺特性之所以不能在同一個通道中一次完成,，可能是因為需要性質十分不同的效應分子來傳輸景物的不同特性的緣故。如果某一類通道受損就會喪失對相應特性的傳輸,，如色彩通道受損,，我們就只能看到黑白的外部世界，運動通道受損,，我們就只能看到靜止的物體,，等等。既然顏色,、形狀與運動信息必須使用不同的微通道進行傳輸,，它們就不可能作為同一個模塊（神經(jīng)集群）被一起記憶，而在大腦皮層中的記憶可能主要以輪廓模式為主,，色澤可能并不那么重要,，就像我們看到一個女性友人，無論她如何打扮（譬如,，穿不同顏色的衣服）,，我們一眼就能認出她來。

視覺是一個信息在傳輸上的降維與表征上的升維過程,。在視網(wǎng)膜那里，對外部景物的三維視覺信息降為一維進行傳輸,，但實際上,，信息的三維性借助眼睛中視網(wǎng)膜中神經(jīng)元的精致空間結構得到了保存。而從視網(wǎng)膜到視覺中樞,，視覺信息又經(jīng)歷了一個復（升）維過程,，即從點?線（一維）→面（二維）→非完形立體圖形（破缺三維）→完形（動態(tài)、彩色,、立體和復合）三維圖景,，這是通過按一定空間規(guī)則配置的不同效應分子的感應來實現(xiàn)的。也可以認為,，這是一種逐級投射過程,，即完形三維源自破缺三維的投射,，破缺三維源自二維的投射，二維源自一維的投射,，而視網(wǎng)膜是一維的初始投射源,。這種投射物到底是物質、能量還是信息呢,？也許是其一,，或其二，或全部,。既然色彩,、形狀、運動是在分離的通道中進行投射的,，那在我們依然還未知的那個視覺終點站,，是如何形成一個完形三維圖景的呢？莫非再現(xiàn)一個類似于視網(wǎng)膜那樣的結構,？只有實現(xiàn)這樣的完形三維圖景,，我們才會自如地體驗直覺與靈感!

還有以下幾個疑問還難以回答，也是未來的研究需要進一步確認的,。

1）視覺傳輸通道中的效應分子到底是對電信號感應還是光信號感應,？它們是如何感應的？視覺信息的儲存應該是通過生物大分子結構的變化及其恰當?shù)目臻g配置來實現(xiàn)的,。我堅信,，視覺信息的傳輸、覺知和儲存都不需要進行所謂的編碼過程,。

2）我們的頭腦中是否有一幅面前世界的“圖像”呢,？如果沒有，那我們對外部景物的感知為何如此地連續(xù)與完整,？Crick （1994）指出,，“很少有人相信，在大腦的某處有一個真正的屏幕,，它產(chǎn)生與外部世界相對應的光模式,。我們都知道，電視機之類的裝置能夠完成這種工作,。然而,，在打開的頭顱中，我們并沒有發(fā)現(xiàn)按規(guī)則陣列排列的腦細胞,，它們在發(fā)射各種顏色的光”,。但是，我們見到過的許多外部世界的景象真真切切地鐫刻在了我們的大腦皮質（由無數(shù)神經(jīng)細胞編制而成）中，否則我們不會夢見它們,。

人類的視覺中樞可能存在一個類似于屏幕的區(qū)域,，不一定是平面的，也許還是分離的,，但它作為一個整體性的功能單元/系統(tǒng)承接多種通道投射而來的光學信息（哪怕是間接地）,，瞬間就自動形成了我們的視覺。而當下的視覺頃刻間自動搜索,、比對與激活在層層折疊的視皮質區(qū)（展開之后猶如一幅龐大無比的屏幕）中錯綜復雜地印刻著的過往的各種景物（輪廓或模塊）,，立刻就能形成我們的覺知。

3）既然視覺信息未被編碼也未被壓縮,，那它們是如何被儲存在大腦的記憶中的呢,？用于對物體特征進行記憶的大腦皮層可能是一個不斷結構化的過程，它的基本框架在發(fā)育關鍵期伴隨最基本生存經(jīng)歷的刺激就被快速搭建起來,。之后,，就是一個不斷被內外部經(jīng)歷填充、瓜分,、修正或改寫的模塊化過程,，從特定記憶類型的始點不斷向外周擴展，先構建低級模塊,，再逐漸向高級模塊擴展,。此外，如果沒有對各種類型模塊進行快速識別的獨特標簽,，意識的活動窗口如何能在記憶模塊之間自由,、準確而快速地穿梭？

八,、風靡全球的腦計劃——南轅北撤,？

人的大腦雖然只有1.5 kg，但它褶皺的皮質含有約300億個神經(jīng)元細胞,，有多達1000萬億條神經(jīng)突觸連接,，如此復雜結構中的可能反應通道的數(shù)量遠遠超出了宇宙中基本粒子的數(shù)量（Edelman 2006）。

大腦是認知的核心,，但遺憾的是,，我們目前對大腦工作機制的了解幾乎是空白，我們對認知的探索依然如在茫茫黑夜中航行,。神經(jīng)生物學家Ralph Adolphs說：“我們不了解任何一個單個機體的大腦工作機制，就連只有302個神經(jīng)元的小蟲,，我們目前也沒法了解它的神經(jīng)體系”,。個別極端的功能主義者宣稱，了解腦的細節(jié)永遠得不到任何東西（Crick 1994）。Crick（1994）預言,，“新皮層可能是人類無比的榮耀,，故它不會輕易地將秘密公諸于世”。美國科學記者霍根（John Horgan）說,，研究心靈的科學家擅長于分解腦,，但卻不知如何將其重組回來（Horgan 1999）。

世界各國已經(jīng)拉開了新一輪腦科學大戰(zhàn)的序幕——2013年,，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動名為“推進創(chuàng)新神經(jīng)技術腦研究計劃（Brain Research through Advancing InnovativeNeurotechnologies）”的計劃,，同年歐洲也啟動了類似的“人腦計劃（Human Brain Project）”，2014年日本啟動了名為“通過整合神經(jīng)技術構建服務于疾病研究的大腦地圖（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologiesfor Disease Studies）”,，2016年中國也啟動了名為“腦科學與類腦科學研究（Basic Science and Brain-like IntelligenceTechnology）”的計劃,，將持續(xù)15年之久。

美國腦計劃旨在解決：1）統(tǒng)計大腦細胞類型,，2）建立大腦結構圖,，3）開發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡記錄技術，4）開發(fā)神經(jīng)回路的工具,，5）了解神經(jīng)細胞與個體行為之間的聯(lián)系,，6）把神經(jīng)科學實驗與理論、模型,、統(tǒng)計學等進行整合,，7）描述人類大腦成像技術的機制，8）為科學研究建立收集人類數(shù)據(jù)的機制,，9）知識傳播與培訓,。歐盟腦計劃旨在解決：1）研發(fā)神經(jīng)信息學、腦仿真和超級計算機的ICT平臺,，2）全新的醫(yī)學信息學平臺將把全世界的臨床數(shù)據(jù)匯集起來,，使醫(yī)學研究人員得以提取有價值的臨床信息，并結合進有關疾病的計算機模擬中,，3）仿神經(jīng)計算平臺和神經(jīng)機器人學平臺,，根據(jù)腦的構筑和回路研發(fā)新型的計算系統(tǒng)和機器人。而日本腦計劃旨在通過對狨猴大腦的研究來加快對人類大腦疾?。ㄈ缋夏晷园V呆和精神分裂癥）的研究,。中國腦計劃旨在解決：1）大腦對外界環(huán)境的感官認知，如人的注意力,、學習,、記憶以及決策制定等，2）通過動物模型研究人類以及非人靈長類的自我意識,、同情心以及意識的形成,，3）探究語法以及廣泛的句式結構等語言認知，用以研究人工智能技術。

2005年7月1日,在紀念美國《科學》雜志創(chuàng)刊125周年之際,科學家們總結出了125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題（前25個被認為是最重要的問題）,其中,，與認知心理學有關的問題見表1,。再比較一下世界大國的新一輪腦研究計劃，面對這些最具挑戰(zhàn)性的科學問題,，難言具有逢山開道之精神,，更像是兜圈繞行之戰(zhàn)術，給人的感覺是似乎依然難以從魂牽夢繞的經(jīng)典之中得以掙脫,。而本書斗膽觸及了這些問題中的相當一部分,，并試圖以獨特的視角來進行詮釋，歡迎讀者的客觀審讀與批判,。愛因斯坦曾說,，“宇宙最不可理解之處是它是可理解的”，而雖然我們每天都在運轉意識,，但卻一點都不知道它是何物以及是如何工作的,。

      表1 在與認知心理學相關領域中，最具挑戰(zhàn)性的科學問題

九,、來自夢的啟迪——模塊化記憶,？

很少有人關注夢與記憶的關系，除了有人推測夢可能有助于對記憶的整固,，這主要是基于一種經(jīng)驗,，即缺少睡眠（因此也減少了做夢）會導致記憶力減退。問題是,，記憶也不是白天事件的精確重復,，而且絕大部分夢都被忘掉了，這如何能整固記憶呢,？有人認為,，夢是對心的重新編程，但為何以及如何這樣呢,？

在睡眠狀態(tài)下,，大腦幾乎切斷了與外部世界直接的感官聯(lián)系（如關閉了視覺），這樣,，夢及其中的景或人只能來源于儲存在大腦中的記憶,。因此，夢的特性應該可以袒露一些記憶的秘密,。我們能夢見我們曾經(jīng)見過的親人,、朋友、動物,、房子,、河流……它們也能在夢中組合出一些情節(jié),，有時合理，有時離奇……,，在夢境中的人物還能跨越時空……在我們的記憶中似乎保存了這些模塊及一些情節(jié)片段。這是為什么呢,？

生命的演化就是一個不斷的模塊化過程——生物大分子（核酸,、蛋白質、多糖等）由一些小的分子模塊拼接而成,，真核細胞由一些共生的原核細胞特化而成的細胞器功能性地整合而成,，動植物體則包含無數(shù)微小的細胞，它們功能性地整合成各種組織和器官,，并通過模塊化的發(fā)育程序構建復雜的軀體,，物種的演化就是一系列發(fā)育模塊的重組。難道只有記憶會脫離這種普遍的模塊化原理嗎,？

模塊在心理學領域亦受到過一定關注,。十八世紀的顱相學是在倡導一種心理模塊，它被現(xiàn)代的腦功能分區(qū)所取代,，但不是為了解釋記憶原理,。20世紀初出現(xiàn)的格式塔心理學論述了對圖形視覺過程中人的心理活動規(guī)律，但不涉及記憶原理,。20世紀50年代Donald O. Hebb提出的“細胞集群”概念,，但過于微觀。20世紀80年代Jerry A. Fodor提出的心理模塊雖然富于啟迪性,，但停留于孤立的模塊特性描述,。

在模塊化的生命世界中，記憶絕不會顧影自憐,。本書斗膽提出了一個新的理論——記憶模塊學說（memory module hypothesis）,，可以很好地解釋人類的記憶特征、我們?yōu)楹巫鰤粢约皦舻奶卣?，亦與記憶分子的標記證據(jù)相吻合,。從進化上來看，類型模塊可滿足對動態(tài)環(huán)境的適應需要,，亦可滿足快速決策的需要,。我甚至曾打算將本書取名為“模塊認知心理學（Modular Cognitive Psychology）”或“夢——袒露了大腦的終極秘密（Disclosure of the Brain’s UltimateMysteries by Dreams）”，雖然很快打消了念頭,，因為這些題目僅能涵蓋本書的部分內容,。

十、人腦的終極秘密——用“未知”打開“未知”,？

大腦的精神產(chǎn)物——人性與心智是難以預測的,。在我們不足百年的人生之旅,，外部現(xiàn)實不斷地塑造著我們的內心——鑄造理性、理智,、智慧......,，我們的心境跌宕起伏——放縱、炫耀,、奢望,、貪念、幻想,、沮喪或絕望......,，一些人性情彪悍，像脫韁的野馬,，而另一些人萎頓不堪,，像長久被關在圈里的羊羔......一些人聰明伶俐，而另一些人愚昧笨掘......一些人似天國的愛神,，而另一些人如地獄的惡犬......為何同樣一個大腦卻產(chǎn)生出如此不同的性情與心智,？

其實，即使是今天,，我們都還不知道為何我們的肉體會形成這樣那樣的主觀意識——宛如車水馬龍的詩章,，或更似不會再現(xiàn)的絕唱，此時,，已經(jīng)消逝的又化為了現(xiàn)實,，雖然是在朦朧與虛擬之中。然而,，霧靄與惆悵常?；\罩著一些可憐的病人，剝奪著他們的感官體驗與情感思維,。

一方面,，在文明之光被點亮之前的原始人類，只是為了滿足其在大自然中的野性生存,，因此,，絕不需要承載像今天如此之多的復雜知識的記憶，譬如,，只需要辨別眼前的花草果木以便充饑果腹,，需要認清豺狼野獸以免慘遭殺戮，當然還要學習一些關于漁獵,、哺幼,、用火、制作工具等方面的技能……人類從野性荒蠻之中的解脫在進化的歷史上來看,，只是一個短短的瞬間,，因此,，切忌按現(xiàn)在人腦的法則來復雜化本性純樸的生物學大腦。

另一方面,，我們用這個神奇的大腦創(chuàng)造了自然界的最大奇跡,，但我們卻不知道這個大腦是如何實現(xiàn)這一壯舉的。美國學者Neil R. Carlson在《生理心理學》一書中說,，“這個世界最后一個有待開發(fā)的領域——也許是最重要的——就是我們自身,。人類神經(jīng)系統(tǒng)使我們所能做的，所能了解的,，所能體驗的一切成為可能。它的復雜性無與倫比,，研究它,、理解它的任務使先前對我們自身的所有探索都相形見絀”（Carlson 2007）。Eccles（1989）問道,，“每個人主觀上都有精神統(tǒng)一性的經(jīng)驗……然而大腦有幾乎無數(shù)種不同的神經(jīng)活動模式,。神經(jīng)活動的這種多樣極端性又是怎樣每時每刻地整合成我們所體驗到的統(tǒng)一性的呢”？

我們雖然對自己的大腦是如何工作的幾乎一無所知,，但卻憑借它從森羅萬象的表象中抽象出了精致迷人的本質,，進而構筑了驚天的知識與技術體系，籍此,，我們徹底地征服了大自然......但是,，我們能否用這個“未知的”大腦所建立起來的知識體系返回來打開它自身這個未知的黑箱呢？我們能否演奏出一個旖旎的和音,？

我很欣賞這樣的名言：很多科學奠基者都是在大自然面前非常謙遜而對權威抱有懷疑的人

（Merton 1938,，Hooykaas 1972）。我們的經(jīng)驗之路由平淡無奇的青枝綠葉所鋪墊,，是理性在認知的荒原上點綴上了朵朵鮮花,，最后，超凡脫俗的天才再用它們編織出彩繪繽紛的榮冠,，這——是一種智慧的奔涌,，真理的頓悟，滋養(yǎng)與啟發(fā)一切世人,！