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杰夫·霍金斯:从大脑科学到智能机器

PalmPilot 相信很多人知道,但Jeff Hawkins这名字就不一定人人皆知了。Jeff Hawkins是 Palm的始创人,不过,在2003年的TED大会上,Jeff Hawkins袒露心声,说自己当年其实不是想干IT的——他的志向是搞大脑理论的研究,他还一度因为自身职业选择上的失误而离开Intel,重返校园,希望能够深入研究大脑理论。不过,从MIT到伯克莱,几经辗转,Jeff Hawkins的研究道路还是没有得到同行的认同。于是,他决定先在IT界混几年——结果一混就是16年,并且创立了Palm的传奇。之后,Jeff Hawkins创办了一个叫红杉理论神经科学研究中心(Redwood Center for Theoretical Neroscience)的非盈利性研究机构,专门从事大脑研究。在以下的演讲中,Jeff Hawkins就为我们揭示了研究所取得的一些阶段性成果:


Jeff Hawkins on How Brain Science will Change Computing

过去很长一段时间,科学界对于大脑研究,积累了大量的数据,但是却缺乏一个很清晰的理论。而搞AI研究的人则根本就没有认真想过什么是智能(intelligence)这一基础问题。Jeff Hawkins感到这是一块很大的空白,他觉得自己很应该投身于这一研究,并且通过研究,发掘关于大脑的秘密,从而制造出智能机器。

注意,这里所说的智能机器是仿照大脑工作原理进行工作的机器,但绝非大脑的克隆,因为后者牵涉到诸多生物学上的难题。未来的智能机器很有可能是以某种隐秘的形式出现在你的汽车、房屋或衣服等等地方,而Jeff Hawkins说,智能机器时代之到来也许不需等太久——有了一个指引性的理论,科学家将很快可以做出这样的机器。

过去,搞人工智能研究的人会将阿兰·图灵的理论奉为圭臬,认为人脑就是一部用于计算的机器。但这一理论极有可能是错误的,Jeff Hawkins解释说,

  • 人的大脑是一个记忆系统;
  • 记忆按照成系列的模式来储存与提取的;
  • 所有的行为都是通过自动关联的方式来提取的;
  • 能够对未知的模式进行预测;
  • 从生物意义上,准确的、可测试的、可构建的。

Jeff Hawkins指出,之所以科学界长期以来没有一个关于大脑的理论,是因为我们很容易受到一些直觉的迷惑。这样的例子在科学史上并不鲜见,在天体运行律发现以前,人们谁会想到地球是每时每刻都在动呢?在达尔文发现进化论之前,有多少人会想到我们跟植物竟也是同根同源的?在格瓦纳发明版块理论以前,有谁想到高山和大海竟也会漂移?同样的事情就发生在大脑研究的领域。唯有摆脱天生的偏见,我们才有可能找到真正的大脑理论。

假如你对Jeff Hawkins提出的理论感兴趣,不妨买他写的书 On Intelligence 读一读,该书写得很鲜活,James Watson给这书写的评价是:

On Intelligence will have a big impact; everyone should read it. In the same way that Erwin Schrödinger’s 1943 classic What Is Life? made how molecules store genetic information the big problem for biology at that time. On Intelligence lays out the framework for understanding the brain.”

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克里斯托弗·德查姆斯:大脑活动的即时扫描

克里斯托弗·德查姆斯(Christopher de Charms)是一位神经学家,专门搞功能性磁共振成像(fMRI)方面的研究。他正在研发一种扫描仪,使得人们可以看到自己的大脑的即时活动,就是说,能够看得到大脑活动的可视化成像。他创立了一家叫Omneuron的公司,专门从事此类仪器的开发与生产。用户被请进扫描床,医生打开扫描仪之后,他们马上就能在屏幕上看到自己的大脑在活动,自己的手只要稍微动了一下,都能在电脑上显示出来。


Christopher deCharms: Looking inside the brain in real time

我们是否可以应用这样的技术来实时观察我们的大脑?那是肯定的。比方说,对于那些患有慢性疼痛的病人而言,能够看得到他们自己的大脑活动将有助于病人对疼痛加以控制。但这仅仅是 fMRI 技术的一个简单应用而已,还有各种更奇妙的应用有待我们去发现。德查姆斯说,我们这一代人,历史上第一次能够自行给我们的心智加以培植,就像健身好手通过锻炼增强自己的肌肉一样。到了这样的时刻,你我将如何抉择?

参考阅读:

功能性磁共振成像- 维基百科,自由的百科全书

fMRI测谎将被应用在法庭中

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维兰努亚·拉玛钱德朗: 通往心灵中央的旅程

今天我们为大家带来当代著名神经学家维兰努亚·拉玛钱德朗(Vilayanur Ramachandran)的演讲,中文翻译由红猪完成,本文最先载于科学松鼠会网站上。

像Chris说的那样,我研究的是人脑,是人脑的功能和结构。我想花一分钟来思考其中的意义。这是一块三镑重的巨大果冻,你能将它放在掌中,它能思考恒星间的广阔宇宙, 思考“无限”的意义。它还能思考它自身,这种奇异的性质就是自我意识,我认为它是神经科学的圣杯,希望有一天我们能了解自我意识是如何产生的。

好,那么你要怎么研究这个神秘的器官呢?你有一千亿个神经细胞,它们相互作用。从这些活动中,涌现出我们称为“人性”或“人类意识”的全部功能。这是怎么发生的呢?我们从很多角度出发研究人脑。其中的角度之一,是观察脑中的一小部分区域遭受持续性损伤的病人。损伤并不会导致认知能力的全面丧失,而是导致特定功能的丧失,其他功能则完好无损。这让你能自信地说:那个区域以某种方式在那个功能的运作中起到作用。这样,你就能将功能映射到结构上去,并找出这部分神经回路是如何产生这个功能的。这就是我们想做的事。我向诸位展示三个惊人的例子,每个例子将分钟。

第一个例子是一种称为“卡普格拉综合症”(Capgras Syndrome)的罕见综合症。图中显示的是颞叶、额叶和顶叶。而折叠在皮层内部、在图中无法看到的,是一种称为梭状回(fusiform gyrus)的微小结构。它被称为脑的“脸部区域”,因为如果这个区域遭受损伤,你就无法再识别人们的面孔了。你仍然能够通过嗓音识别他人,“哦,对了,这是Joe”,但你没法看着别人的脸认出这是谁;连镜子里的自己都认不出。你知道这是你自己,因为当你挤眉弄眼,镜中人也对你挤眉弄眼,但你并不是真的认识你自己。

好了,这种梭状回损伤导致的疾病很多人知道,但还有一种罕见的综合症,罕见到连医生都很少知道,连神经科学家都不太了解,它名叫“卡普格拉错觉”(Capgras Delusion),即一个原本完全正常的病患遭受了头部损伤,从昏迷中醒来,看着自己的母亲说:“这人看上去跟我母亲一模一样,但她是个假冒的,是个假装成我母亲的女人”。为什么会这样呢?这个人在所有方面都完全清醒理智,但一旦母亲现身,错觉就出现,他就说“这不是我母亲”。

对这种症状,心理医生的书里最常见的解释是种弗洛伊德式的观点,那就是:当这个小伙子(女性也得有这种病的,但我只说男的好了)还是个婴儿的时候,感觉到母亲有种很强烈的性吸引,这就是弗洛伊德所谓的“俄狄浦斯”情结。我没说我相信这个,但弗洛伊德观点就是这样的。长大后,你的皮层生长发育,抑制了对母亲的潜在性欲。接下来,头部的击打损伤了皮层,把潜在的性欲释放到了表层。于是突然之间,你莫名其妙觉得自己对母亲起了性欲。于是你想:“天,这是我妈,我怎么可能会觉得冲动?她一定是别的女人,是个假冒的。”你觉得只有这样的解释才说的通。我从来不觉得这样的论辩有什么道理,尽管像弗洛伊德的其他论辩一样,它非常巧妙。我觉得它没道理,是因为我见过遭受同样损伤的病患否认自己的贵宾犬。他说:“大夫,这不是菲菲,它看上去跟菲菲一个样,但它是另一条狗”。你用弗洛伊德的理论解释解释看(众笑),你会觉得人类具有某种潜在的兽性,那当然很荒谬。

实际是怎么回事呢?为了解释这种奇怪的疾病,来看看正常人脑区间通路的结构和功能。通常来说,视觉信号通过眼球进入脑中的视觉区域(脑后部负责处理视觉信号)。然后,信号通过称为 “梭状回”的微小结构,你的脑就在那里处理面部图像。那里有对面部敏感的神经元,所以称为“脑的面部区”。那个区域一旦损坏,你就失去了识别面孔的能力。 但神经信号还会从那个区域出发,往下到达边缘系统中称为杏仁核(amygdala)的区域,边缘系统是脑的情绪核心。杏仁核判断你所看见的物体在情绪上的重要性:那是猎物,是天敌,是配偶,还是完全无关紧要的东西。如果杏仁核变得兴奋,那么说明眼前的东西很重要,神经信号就会向下发送到自主神经系统,你的心跳开始加速,你的手掌开始出汗,肌肉开始收缩。还好手掌会出汗,因为可以把电极连上手掌,测试汗液产生的皮肤电阻,这样我就能判断你看着什么东西的时候,是兴奋,唤起,还是没有反应了。我的想法是:当这小伙子看着某个物体时,信号进入视觉区和梭状回,他认出了这件物体是张桌子或者是他母亲。接着信号就传到杏仁核,再往下传递到自主神经系统。但或许在这小伙子的脑中,从视觉区到边缘系统的线路被事故切断了。由于梭状回并未损坏,小伙子还能够认出他母亲,“是啊,这人看上去像我母亲”;又由于通往情绪中心的通路被切断了,他就会想:“为什么我看见母亲时感觉不到温暖,或者恐惧?”于是他就这样来解释这种无法解释的情绪缺失:这不可能是我母亲,而是某人假装的。你要怎么验证这个假说呢?你找来一个人,在他面前放一面屏幕,一边测量他的皮肤电,一边在屏幕上放图片给他看。我能测量你看见一个物体,比如一张桌子或一把伞时,手掌的出汗状况,当然了,看见这些,你是不会出汗的。如果我给你看狮子老虎的照片,你会开始出汗。信不信由你,如果我给你看你母亲的照片,你也会开始出汗,你不用是个犹太人就会出汗。(众笑)那么,当你向病人展示图片并测量他的皮肤电反应时,发生了什么事呢?给他看桌子椅子绒布,都没有反应,跟正常人一样;但当你给他看他母亲的相片,皮肤电图像拉成一条直线,他对自己的母亲也没有情绪反应,因为从视觉区通往情绪中心的线路被切断了。他的视觉没有问题,因为视觉区是正常的;他的情绪反应也没有问题,他会哭会笑;但是从视觉到情绪的线路却断了,因此,他有了这个母亲是冒牌货的错觉。我们在这里研究了奇怪、看似无法理解的神经-精神病症状,并认为正统弗洛伊德观点是错误的,你实际上可以找到一个精确的解释,如果你懂神经解剖的话。顺便说一下,如果这病人跟母亲通电话,他会说:“哇,妈,你好不好?你在哪里?”用电话就不产生错觉,但当母亲走到面前,他却说:“你是谁?你看上去就像我妈”。原因是:信息沿着另一条通路从脑的听觉区通往情绪中心,事故并没有切断这条通路,这就解释了为什么他能通过电话认出自己的母亲,但当他看到母亲本人,却说那是假冒者。

好了,脑中为什么会有如此复杂的回路呢?是自然、基因、还是养育的作用?我们通过研究另一奇怪的综合症来试图解答这个问题,它名叫“幻肢”。

诸位都知道幻肢是什么。当一条手臂或腿被切除,或当你在战争中失去一条肢体,你还是能活生生感受到那条已经失去的手臂,那就是幻臂(phantom arm)或幻腿(phantom leg)。实际上,身体的任何部分都会产生幻肢现象。信不信由你,即使内脏器官都不例外。我有位病人被摘除了子宫,结果得了幻子宫病,每个月还会有幻一次月经。一天一个学生问我,那病人有没有幻经前综合症?倒是个不错的科研课题,但我们还没有研究那个。好了,接下来的问题是:通过实验,你能从幻肢现象中学到什么?我们发现了一种现象:感觉到幻肢的病人中,有一半宣称自己能移动那条幻肢,他们能用幻肢拍兄弟的肩膀、能在电话铃响时拿起听筒、能挥手道别。他们有种十分强烈鲜活的感觉。病人的脑知道手臂已经不在了,但感觉还是非常强烈。

然而,病人中的另一半没有这种运动的感觉,他们告诉我:“大夫,我的幻肢被麻痹了,它痉挛地捏紧拳头,疼得不得了。如果我能移动它,疼痛或许就会减轻。”为什么幻肢会被麻痹呢?听上去自相矛盾。当我们查看病例时,我们发现,这些感觉幻肢被麻痹的人,他们的手臂原先曾被麻痹过,原因是神经受伤,控制手臂的神经被车祸之类的原因切断了。所以,病人的手臂曾经真的疼痛过几个月或者几年。然后,为了帮助病人赶走疼痛,外科医生给他做了截肢手术;接下来,就有了条同样疼痛的幻肢。这是个严重的问题,病人们心情抑郁,甚至有人自杀。那么你要怎么治愈这种综合症呢?为什么会有人觉得幻肢麻痹?

查看病例的时候,我发现他们有过真实的手臂,控制手臂的神经被切断,真实的手臂在截肢前麻痹了几个月,这种疼痛被带到了幻肢里。为什么会这样呢?当手臂完好但麻痹的时候,脑向手臂发送指令,前脑命令“动”,但视得到的觉反馈却说“动不了”;“动――动不了――动――动不了”……这被固定在了神经回路中,我们把这叫做“习得行麻痹 ”(learned paralysis)。脑了解到,移动手臂的指令制造了麻痹的感觉。然后,当你将手臂切除,习得性麻痹就进入了你的体象(body image),进入了你的幻肢。

你要怎么帮助这些病人呢?你要怎样解除习得性麻痹,好让他们的幻肢不在剧痛中痉挛紧握?如果你向幻肢发送指令,并且得到了幻肢响应指令的视觉反馈,那会怎样呢?那样,说不定就会减轻幻肢疼痛了。你要怎样做到这一点?可以用虚拟实境,但那会花上几百万。我想到了这个成本三美元的办法,别跟我的赞助机构说。(众笑)你是这么干的:在纸板盒中间放面镜子,制造出一个我称为“镜盒”(mirror box)的东西。

我的第一个病人十年前截肢,此前手臂麻痹了几年,截肢后幻肢产生麻痹。他来看病的时候,我给了他一个这样的镜盒,病人将疼痛痉挛的幻肢左臂放到镜子左侧;右臂则放在镜子右侧,并做出和左臂同样的姿势。然后病人看着镜中,他感觉到了什么?他感觉幻肢又复活了,因为他看到了镜中的手臂,就好像他的幻肢又重生了。接着我说:“现在动一下你还在的手指,同时对镜子里面看,这样你会看见自己的幻肢正在移动”。很好理解,对不?但惊人的是,病人说:“天,我的幻肢又在动了!”疼痛也随之减轻。(掌声)我的第一个病人来看病时,我叫他看着自己幻肢的镜像,他咯咯笑起来,说:“我看见我的幻肢了。”他不傻,知道这不是真实的,只是个镜像,但这是非常鲜活的体验,接着我说:“动一下你真实的那只手和幻肢手”。他说:“我可没法移动我的幻肢手,你知道的,很疼。”我说:“那动一下正常的那只手吧。 ”他说:“哦,天,我的幻肢又在动了,简直不能相信,我的疼痛也好些了。”接着我说:“把眼睛闭上。”他闭上眼,我说:“动一下你正常的那只手。”“厄,感觉不到了,它又握紧了。”“睁眼。”“哦,天,又在动了!”他就像个进了糖果店的小孩。

所以,这证明了我关于习得性麻痹和视觉信息所起重要作用的理论,但我可不会因为让人成功移动幻肢而获得诺贝尔奖。(众笑)细想之下,这种能力完全没有用处,但我开始意识到:也许你在神经科学中观察到的其他类型的麻痹,比如中风,也许都有习得的成分,都能用一个装了镜子的简单装置予以克服。我对那位病人说:“把镜子带回家,自己练习一两个礼拜,也许你能扔掉镜子,解除习得性麻痹,开始移动幻肢,消除疼痛。”他说“好啊,我带回家。”我说:“两块钱而已,带回家吧。”于是他把镜子带回了家。两周后他打来电话说:“大夫,你一定不相信。”我说:“什么?”他说:“它不见了。”我说:“什么不见了。”我还以为镜子或者盒子可能不见了。他说:“不不不,这个跟了我十年的幻肢,它消失了!”我觉得担心了,我改变了这个人的体象,人类被试啦、研究伦理啦方面会有什么问题?我说:“你觉得困扰吗?”他说:“才没有!过去三天,我没了幻肢,于是就没了幻肢肘关节痛,没了握拳,没了幻肢上臂疼痛,所有这些疼痛都消失了。但问题的,我的幻手指还挂在肩膀这边,你的镜子够不到,你能不能把镜盒改装一下,好让我用脸贴着镜子,在镜子里看见自己的幻手指?”(众笑)

我一直觉得这像是魔术。为什么会发生这样的事?因为脑面临巨大的感觉冲突,它收到视觉信号,说幻肢又回来了;但另一方面,又没有来自肌肉的信号证明它真的回来了;你的动作信号也在告诉你手臂没在动。在这种冲突之下,脑就说:“少来啦,根本就没有什么幻肢,这条手臂已经不在了。”手臂一旦消失,附带的好处就是疼痛也一并消失,因为不可能有一种不依附形体的疼痛漂浮空中。其他研究团体在几十个病人身上试验了这种疗法,也许能称为治疗幻肢疼痛的有价值的方法。还有人在中风病人身上试验这种疗法,有的中风瘫痪也是习得的,或许也能用镜子加以克服,临床试验也正在进行中。

好了,接下来开始讲第三部分,是关于另一个奇怪现象的,它叫做“联觉”(Synesthesia),是由达尔文的表亲弗朗西斯.高尔顿在十九世纪发现的。他指出,人群中某些成员,其他方面均与常人无益,却有如下特别之处:他们看到一个数字时,就能感受到色彩。5是蓝色的,7是黄色的,9是靛色的。这些人其他方面完全正常。有人能在音符中看出颜色,升c是蓝色的,升f是绿色的,另一个音符可能是黄色。为什么会这样?高尔顿把这称为“联觉”――感觉的混合。对我们来说,感觉之间是分开的,但有人会混合,为什么会这样?还有一个有趣的现象,就是联觉会遗传,高尔顿认为其中有遗传学基础。此外,在艺术家、诗人、小说家当中,联觉比其他人常见八倍。为什么会这样?我就要回答这个问题,此前没有人回答过。

好了,什么是联觉,成因是什么?有许多理论做出解释。一种理论认为,他们就是疯了而已。那算不上什么科学理论,所以别管它了。另一个理论是这些人吸了毒,或许有点道理,因为联觉在湾区比在圣地亚哥常见。(众笑)我们来问问自己:联觉到底是什么?我们发现,图中梭状回里的颜色区和数字区彼此接近,因此我们认为,在颜色区和数字区之间发生了意外串线(cross-wiring),所以,每次你看见数字,就会同时看见颜色,于是就有了联觉。那么为什么会出现串线呢?记得我说过这是遗传的。这就给了你线索,说不定是某个变异的基因引起了串线。我们每个人在出生时,脑中的所有区域都彼此相连,它们后来被修剪成为脑中的不同模块。有一个基因控制这种修剪过程(trimming),当这个基因发生变异,修剪就不完全。如果是数字区和颜色区没有断开,你就有数字-颜色连觉;如果音符区和颜色区没有断开,你就有了音符-颜色联觉。那么,如果脑中的一切区域都彼此相连呢?好,想一下艺术家、小说家和诗人之间有什么共通的地方。他们都能进行类比思考(metaphorical thinking),将看似无关的想法联系在一起,比如“朱丽就是太阳。”这句话的意思难道是“朱丽是个发光的火球”吗?精神分裂的人会那么想,但那是另外一回事。正常人会说:“意思是她像太阳一样温暖发光,哺育他人。”他马上就能领会其中的联系。假设联觉者人的脑中发生串线,再假设概念也位于脑的不同部分,那他们的脑就更有可能倾向于类比思考,更有创意。因此,艺术家、诗人、小说家中具有联觉者就更多。

下面看最后一个演示。我将向诸位展示:你们全都有联觉,只是自己不承认罢了。图中是我称为“火星字母”的东西,其中一个叫“kiki”,另一个叫“buba”。

哪一个是“kiki”,哪一个是“buba”呢?多少人觉得左边是“kiki”,右边是“buba”,举下手。好了,有一两位变异人。多少人觉得左边是“buba”,右边是“kiki”,举下手。百分之九十九的人。好了,诸位都不是火星人,你们是怎么认出火星字母的?因为诸位都在进行跨模块的联觉抽象,意思是,你觉得右边那个尖尖的东西看上去像“kiki”。在你的听觉皮层中,“kiki”的声音很像尖尖的视觉形象;这看似幻觉,但在你的视皮层和听觉皮层分别处理视觉和听觉信号时,脑能够抽取两者的共性。我们现在知道,这发生在脑的梭状回,因为那里受损的病人无法正确判断“buba kiki”对应的字母,同时也失去了比喻的能力。你要是问他:“‘发光的未必是黄金’这句话是什么意思?”他会回答说:“意思是会闪光的金属不一定是黄金,你得测试具体成分。”他完全不明白其中的比喻意义。这个脑区在人脑中的体积比低等灵长类中的大八倍。这边的角回(angular gyrus)区域很有意思,因为它是视觉、听觉和触觉的交汇处。人类的角回特别大,我认为这是许多人类特有的能力,比如抽象、类比,和创意的基础。这些问题,哲学家已经研究了上千年。现在我们科学家能够通过脑成像、研究病人,还有提出正确的问题来开始进行探索了。谢谢。  

参考阅读:

Reith Lectures 2003: The Emerging Mind

Vilayanur Ramachandran’s bio on Edge.org

Vilaynur Ramachandran Home Page

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