大脑并非一碗汤,而是一台计算机

​你一定听说过诸如“脑化学”和“化学失衡”这类词,说人体内有多巴胺、血清素、谷氨酸盐等多种化学物质,而精神科医生们可以用药物改变它们在体内的含量。有句老话说,“如果你手里有把锤子,所有问题看上去都是钉子”。对许多临床医生而言,这句话得改成“如果你手里有药,大脑看上去就是一堆化学物质”。其实不是一堆,而是一碗,一碗化学物质做成的汤。这被称作大脑的化学汤模型

汤模型的问题在于,大脑的基本构成单位是单个的神经细胞或神经元,这些神经元各不相同,处理的信息也各不相同。每个神经元都从其他神经元获得独特的信息输入,然后决定何时通过发送电脉冲(即所谓的动作电位)将信号释放给其独特的输出神经元。虽然动作电位在神经元之间通过名为“突触”的化学连接点来实现,但每个突触携带的信息却不同,因为任何两个相连的神经元编码的信息都是独一无二的。因此,大脑其实并非一碗融汇了50来种化学物质的汤,而是860亿个神经元的活动模式。大脑的语言更偏向电,而非化学式的。它就像一台计算机,而非一碗汤。

为了更好地说明问题,我们来把大脑和其他器官作个对比。就拿肾来说,如果你理解肾在微观层面的工作原理(即肾细胞如何过滤血液,调节水盐代谢并形成浓缩尿),推而广之就可以理解肾的整体工作方式。但大脑可没这么简单。即使有一种完美的模型可以模拟单个神经元的工作机制,完整地模拟它们如何整合信息输入、决定何时发出动作电位、并将信号传达给输出神经元,我们也还是理解不了大脑。

大脑并非一碗汤,而是一台计算机

当足够多的神经元连在一起时,情况就会变得错综复杂。一个神经元?没意思。两个神经元?还是没劲。秀丽隐杆线虫是迄今为止唯一拥有完整神经网络图谱的生物,即使是它也有302个神经元,且这种简单生物已经具备寻找食物和逃离危险的能力。果蝇的大脑有10万个神经元,实验显示,果蝇可以学习复杂的行为联系。

作为动物界的“最强大脑”,人类拥有须经折叠方可被颅骨容纳的大面积大脑皮层,并且我们的大脑具备看、听、计划、表演、推导、交流、哀伤、爱与做梦等高级功能。这种感觉、行为、认知和情绪之完备令人惊叹,这正是源自人类大脑内部的精妙而复杂的连接方式。而这种精妙与复杂是所谓的汤模型难以尽述的。

除了在审美方面有所欠缺,汤模型也会在我们试图理解和治疗精神疾病时造成误导。以幻觉现象为例,如果一名患者认为自己听到了并非来自外部世界的声音,那就意味着他脑中已经生成了代表感知声音的神经活动模式,并将该声音的来源错误地解释为外部世界。

大脑并非一碗汤,而是一台计算机

我们的大脑时常产生自发活动,大家都有过这样的经历,但我们拥有有效的验错机制,可以将内部生成的信号过滤掉。当这些机制不奏效时,就相当于计算失败,然后就会导致幻觉。如果没有一套关于感官输入是如何形成神经感知的有力理论,我们也许永远都无法充分了解并治疗幻觉。

汤模型声称,幻觉的产生就是因为多巴胺过量,使用多巴胺阻断剂即可治疗,但关于感知的计算它却只字未提。不巧的是,无数神经回路的突触都会用到多巴胺,包括奖赏过程和运动控制,而且当多巴胺被阻断时,患者常常无法感受愉悦,而且会引发类似帕金森症的运动障碍。此等严重的副作用可不是随便咬牙忍忍就能过去的。

最近,加州理工学院的神经科学家大卫·安德森在TED发表了一篇演讲,题为“大脑并非化学物质的简单堆砌”,他在其中对当前精神治疗的问题作了很好的总结:

“这些药的副作用太多,因为用它们来治疗一种复杂的精神紊乱就像是为了换发动机机油,却把油泼到了整个发动机组上。有一些当然会流到需要的地方发挥作用,但大多数还是会引发不该有的问题,弊大于利。

简而言之,把幻觉归因于多巴胺过量,并按照处理汤里盐过多的方式予以治疗,实在太过于简单粗暴。但不幸的是,汤模型十分泛滥。它不仅主导了精神科住院医师的教育,更是在医药行业的实际操作中被进一步强化,因为固持这一模型站得住脚,就等于让人们相信改变影响神经系统里化学物质的整体水平就可以有效治疗精神疾病,医药行业会从中渔利。

大脑并非一碗汤,而是一台计算机

有知名精神科医生在纽约时报的专栏版上声讨当前的治疗方式,但转身得出的结论却是必须开发新药。这之中其实还是存在对化学汤模型的隐性依赖:大脑由化学物质构成,所以要治疗它,就要用药。

如果我们将精神疾病视为神经计算的失误,在这样的前提下,要开发新疗法就必须从计算的角度去理解神经功能。新疗法可以是非药物疗法,比如先进的靶向精神疗法或直接的电流操纵等。后者听起来可能像是科幻小说,但近100年里,治疗抑郁症最有效的一直都是电痉挛疗法,这是精神病学领域一个不可告人的秘密。现在想象一下,如果我们能基于有力的计算理论,通过颅骨内部的电极、而非像电痉挛疗法一样盲目地将电流通过头皮导入整个大脑,从而以电的形式与特定的神经元和神经回路实现交互,是不是听起来更有效呢?

我是一名临床精神科医生,同时也是一位理论神经科学家,开发数学模型用以研究神经元网络的计算。这种组合还是很独特的。通常情况下,精神科医生很少接受充分的量化训练,因而常会陷入汤模型的泥淖中无法自拔;而神经理论家虽然研究计算,但他们常常是从物理学家、计算机科学家和工程师“半路出家”改道研究大脑,在疾病治疗方面的经验捉襟见肘(我的博士和博士后导师是分别是统计学家和天体物理学家)。我的职业目标之一就是希望发挥我的两个身份之所长,来弥合现存的差距:帮助精神科医生跳出汤模型的窠臼,同时让神经理论家得以将精神疾病作为计算紊乱来研究

大脑并非一碗汤,而是一台计算机

我在我的博客里将会谈及神经科学和医药交叉的话题,比如电脑-机器交互、抑郁症深脑刺激、强迫症、精神疗法的计算本质以及意识相关的理论等。我可能会着墨于我自己的研究课题,并阐明他们为何会激发我探索的欲望;我会讲述我如何成为精神科医生和理论神经科学家之间的跨界者;我会讲讲我遇到的病患的故事;或者穿插一些其他话题也未可知。但无论我写些什么,都会围绕一个主题,并希望用这个主题把所有的文章都穿连起来,即:我们之所以可以拥有妙不可言的独特人生体验,其实要归功于人脑神经元网络的连结方式,简而言之就是——大脑并非一碗汤。

 

讲座预告:

理解未来讲座第17期:用人脑研究脑,是探索更是挑战!

2016年6月26日·中国科学技术馆(新馆)

主讲嘉宾:李兆平,伦敦大学学院计算神经科学教授、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室访问教授

嘉宾主持

陈恂,未来论坛理事、BaseBit Technologies创始人、首席执行官

对话嘉宾

李兆平,伦敦大学学院计算神经科学教授、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室访问教授

欧阳颀,北京大学物理学院教授

方方,北京大学心理与认知科学学院主任

2016年6月26日,未来论坛第十七期理解未来公益讲座特别邀请伦敦大学学院计算神经科学教授、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室访问教授李兆平,讲述窥见人脑奇妙机制的探索与挑战之路。

来源:Kavliblog  作者:Sean Escola  翻译:未来论坛 饭小羯  审校:未来论坛 商白
文章转载请注明出处为 “未来论坛”微信账号(ID:futureforum)
未来论坛官网:www.futureforum.org.cn

氧分子网(www.yangfenzi.com)是关注互联网生态圈的科技新媒体

·氧分子网(http://www.yangfenzi.com)延伸阅读:

电极刺激大脑 会让你“回到过去”  大脑:科学与灵性的战场
美国防部计划为士兵装配大脑“黑匣子”
用大脑控制假肢 Segway之父再次将幻想变为现实
谷歌眼镜发明者:我们的设备能替代你的大脑
大脑的格式化工具 —— 关于“不作死就不会死”
“我来组成大脑”:科技巨头都怎么布局无人驾驶?
人类无需在机器面前自卑,一个大脑足以装下整个互联网
当谷歌用机器取代人脑 我们的大脑还有何用?
张亚勤:物联网的核心是百度大脑,百度完成移动转型
百度IDL顾嘉唯:要把百度的“智能大脑”带到更多设备上
刘洪波:你的大脑已被收编——中国学术界刷存在感的怪象

分享给您的好友:

您可能还喜欢…

1 Response

  1. 你准备好给自己的大脑来次硬件升级了吗?说道:

    科学家和工程师正在致力于脑机接口的开发,希望有朝一日将我们变成可编程、可调试的机器。

    编者按:AI正在进展得如火如荼,但是另一种终极意义的人工智能也在悄然进行当中——这就是将AI与人脑真正结合的脑机接口。现在,通过植入物对棘波的控制,癫痫患者Borghard已经极大缓解了病情的发作。而Elon Musk的愿景甚至更加远大,他希望有朝一日我们可以上传和下载思想。但是在我们对人脑工作机制知之甚少的情况下,把硅谷“快速行动打破陈规”的思潮应用到人核心的指挥中枢上,这会不会引起巨大风险呢?就算脑机接口可以实现,这些复杂且昂贵的系统会不会加剧不平等呢?这些都是我们需要认真面对的问题。

    源自对付疾病

    EMILY BORGHARD脑壳里面有个计算机,但是你是看不出来的。在她的左耳背后,有一个小小的肿块,那是她的植入物唯一可以从外面看出来的迹象,但已经部分被她的一撮自上次更换电池以来就一直在长的头发遮盖了起来。

    在Borghard接受脑植入物前,她一天会产生高达400次的癫痫式活动“棘波”,还会数度癫痫发作。这种异常的无休止的神经活动风暴把她的童年变成一场半清醒状态下的噩梦。她无法开车,不能上课,或者一个人呆超过半个小时。她说:“大家在地板上找到我,在我们居住的大学小镇周围发现我乱逛,大家感到困惑,不知道发生了什么。”

    2011年,为了对付耐药性癫痫,Borghard在19岁的时候进行了一场彻底的外科手术。手术切开了她的脑颅,将一个小型独立计算机植入进去,这就好比为她大脑的海马体准备的Zippo打火机。该植入物使用了一对长长的、细如发丝的电极,用来监听异常的神经活动,并且用一系列的脉冲来进行控制。每两天她就要把一个小型电子设备举过植入物上方,把数据传输到笔记本电脑上面,然后交给Neuropace进行分析。这家总部位于山景城的公司做的是“响应式神经刺激系统(RNS)”。Borghard的医生会对这些数据进行核查,不断地评估和调整对她的治疗。

    今天Borghard已经27岁,在植入物、手术以及药物治疗三管齐下的帮助下,她的癫痫发作已经降到了每月仅2次。她最近拿到了社会工作的硕士学位,希望有朝一日能成为志愿服务的医院的病人代表。

    让Emily焕发新生的这一领域就是所谓的神经技术,这是神经病学、神经学以及智能手机内部硬件的联姻。今天,神经技术公司的关注点是医疗应用,他们认为这个领域有着价值数十亿美元的市场。用电脉冲减少帕金森和疾病相关颤抖的深度大脑模拟器现在已经植入到超过10万人体内。初步研究表明,利用类似技术进行定向大脑刺激可以改善失忆的情况——这对于美国450万老人痴呆症患者来说有可能是颠覆性的拯救者。Neuropace的RNS系统是目前唯一得到FDA许可、能同时感知神经活动并作出响应的植入物。像Medtronic、Boston Scientific以及Stryker等医疗设备制造商落后也不太远。

    增强认知成为新的方向

    但若干玩家现在带着不同的目的进入了神经科技这个领域,这个目的是增强健康人群的认知,计算机与人脑正式的物理结合令这一目标成为可能。

    神经技术最大的贡献者是美国国防部的研究机构DARPA,在推进科学家和工程师实现看似不可能的事情这家机构拥有悠久的历史履历。DARPA脱胎于ARPANET,也就是互联网的前身,也是GPS以及全球第一辆运行成功的无人车的幕后支持者。其医疗研究部门已经为植入物的应用提供了资助,这些类似Neuropace所开发的技术可以治疗从创伤性脑损伤到精神疾病等一切。

    DARPA还投入了6000万美元用于建立所谓的“直接皮质接口,”这种脑机连接跟目前现有的一切脑机接口都不一样。像Emily Borghard脑内的神经植入物可以刺激并记录一小部分的神经元。但DARPA希望能建立一个最多可连接100万神经元的神经接口。

    从理论上来说,达到此等规模的全功能脑机接口快要将人变成一台可编程、可调式的机器——就像计算机一样。过去通过药物、训练、教育和心理治疗实现的事情有朝一日可以通过更为直接的手段实现。这一目标有点类似《黑客帝国》里面基努·里维斯的角色,有一幕描写的就是他通过迅速下载资料来学习功夫的。DARPA生物技术办公室主任Justin Sanchez说:“这几乎就像(设计软硬件的)设计—建造—测试的周期。”这个建造原型、在现实环境中衡量其性能,然后进行相应调优的循环周期正是人类对新技术进行改进的方式。正因为有了神经技术,我们有朝一日可以利用相同的流程来改进我们的大脑。

    你准备好给自己的大脑来次硬件升级了吗?

    Neuropace的这台微型计算机被植入到人脑当中,用来预防导致癫痫发作的异常活动。

    直接皮质接口是Neuralink的目标,这家初创企业是连续创业家Elon Musk最新的登月计划。Neuralink要追求的是Musk所谓的“神经织网”技术——这数十亿微型的脑电极有朝一日可以让我们上传和下载思想。(对于这种技术的潜能)他在去年6月的时候是这么说的:“你的输出水平太低了,尤其是在手机上,主要是靠两个手指的敲击。”

    2013年将自己的支付初创企业以8亿美元卖给PayPal的Bryan Johnson,目前是Kernel的创始人兼CEO。Kernel是一家神经技术公司,是他在去年8月花了1亿美元创立的。Johnson说:“我认为这是可以为人类做到的最重要的一件事。”他相信,神经技术带来的认知增强将会给所有你能想象到的领域带来根本性的进展。他说:“大脑是主工具。其他一切都是它的下游:健康、气候科学、治理、教育、爱等等,所有一切都是。”

    除了正在招兵买马之外,我们尚不清楚像Kernel和Neuralace这样的初创企业究竟在干什么。宾州大学计算记忆实验室主任Michael Kahana说:“在这个领域上,从学术界到产业界都有大量的跳槽出现。”像斯坦福大学和加州理工学院这些大学的教授正在把硅谷变成一个创新中心,正是这类跳槽促进了非常前沿的技术的快速商业化。

    安装独立计算机进大脑的第一步是确定硬件安装的位置,使得它不会令头盖骨变形。解决植入物安置问题是Longeviti Neuro Solutions的目标。这家初创企业是由Chad Gordon和Jesse Christopher共同创立的,前者是Johns Hopkins医院的一位整形外科医生,后者则是从事医疗设备行业的资深人士。Gordon医生懂得为因为手术和癌症而失去部分头盖骨的病人进行修复,后来他意识到自己的替代性头盖骨嵌板可以用功能部件——比如药物注入口或者电子部件等填充。

    最近的一天早上,在Johns Hopkins 医院的一个会议室内,Gordon向我展示了Longeviti的一个头盖骨嵌板,那是一个光滑、透明、椭圆形的塑料片。每一块面板都是有装配了激光的机械臂针对病人情况量身定制出来的。今天,Longeviti给面板蚀刻出了一个口子,为的是给硬件腾出地方,但其目标是将植入物和为植入物提供能量的电池封装进去。当我们在交谈的时候,Longeviti 的一位协作者,同时也是Johns Hopkins 医院神经外科的负责人Henry Brem,拿起了我的iPhone,指出它的大小大概跟他另外一只手里拿着的人工头盖骨一样大。他说:“为什么我们不能把这个里面的电子器件(指手机)放进这个(假体)里面呢?”

    技术比认知激进

    但Brem医生迅速指出,妨碍神经技术取得进展的最大障碍不是新硬件或者植入硬件所需的手术的进步。Brem医生说:“打开和闭合头盖骨对我们来说不算挑战。尽管这项技术在概念上听起来似乎很恐怖,但实现这一点的技术是非常简单的。存在局限的是这之后你可以干什么。”据全世界最好的神经外科部的这位首席神经外科医生说,限制因素是我们对大脑工作方式的理解实在有限。而且Brem医生也不是唯一一位对神经技术初创企业正在将“技术”放在“神经”之前感到担忧的专家。

    Andy Schwartz是匹兹堡大学神经生物学教授,也是脑机接口的先驱之一。他说:“大多数人未能意识到这个问题有着完全不同的一面,而这个是基础科学。要我说几乎所有人都略过了这一点。我把这称为是工程傲慢。”

    要想看清楚我们还有多远的路要走,你只需要尝试一下在猴子的脊髓受到严重损伤之后用无线植入物来将这只动物的大脑和肢体重新连接起来。在瑞士联邦理工学院进行的一项实验当中,科学家利用一个植入物来在猴子的大脑和安装在其瘫痪腿内的、由电池驱动的仿真器之间建立无线连接,从而让猴子再度可以走路。这是一项令人惊叹的研究,有朝一日可以解决瘫痪病人脊髓治愈的问题。但尽管该实验的猴子恢复了行动能力,但它的动作却像牵线木偶一样,跟它们失去的机能还相去甚远。而且关于我们的运动皮质如何控制我们的躯体相对来说我们的理解还算好的,那些更为复杂的认知过程,比如我们是如何在大脑中表示想法和语言的,这些我们还知之甚少。

    缺乏基本了解不大可能会大小Elon Musk的念头,因为钢铁侠已经试图颠覆从汽车到告诉轨道交通乃至于航空火箭的一切。但是硅谷“快速行动打破陈规”的思潮能否有效应用到一个微妙且神秘的器官尚有待观察。

    Kernel创始人Bryan Johnson会定期主持知识分子、科学家以及创业者参与的宴会,他说席间的议题往往会转到他的工作。他的客人能够接受脑机接口正在到来这一点,但是却对伦理问题感到困扰。一旦改变人生的认知增强实现的话,谁可以使用这种技术呢?政府会不会提供给市民?企业会不会把它作为福利提供给员工?公司会不会有朝一日要求脑机接口?这些复杂且昂贵的系统会不会加剧不平等?我们究竟该不该做这件事呢?

    按照Johnson的说法,这些都属于问错了问题。Johnson说:“大家都假定我们拥有这种许可结构来确定哪一项技术可以在我们的社会里面进行开发。”乔治城大学神经伦理学研究项目负责人James Giordano也同意这一点。他说:“不管你喜不喜欢,神经技术正在发生。潘多拉的盒子已经打开。以为你可以阻止它就算不是幼稚也是愚蠢的想法。”

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

您可以使用这些HTML标签和属性: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>