神奇的大腦是如何工作的？

文/田興（上海紐約大學(xué)神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)助理教授） 編輯/甄知

認(rèn)識人類自身一直是我們夢寐以求的目標(biāo)。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，最重要的一環(huán)就是研究控制一切器官的大腦。先問大家一個問題：我們可以給自己撓癢癢，逗自己笑嗎？沒試過的朋友可以自己先試試。答案是大多數(shù)人都是不能撓自己癢癢的，如果能的話，建議去看一下神經(jīng)科醫(yī)生。

那么，為什么我們不能撓自己癢癢，逗笑自己呢？這與大腦的某種機(jī)制有關(guān)。

◆ 大腦是什么？

大腦其實就是我們顱骨里3斤左右的東西，其中神經(jīng)細(xì)胞即神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。一個人共有1000億左右的神經(jīng)元。根據(jù)神經(jīng)元的類型和組織方式不同，大腦可以分成不同的腦區(qū)，每個腦區(qū)負(fù)責(zé)不同的功能。

我們把大腦比作一個硬件。眾所周知，硬件必須通過軟件來完成任務(wù)。比如你想玩游戲，就得在電腦上裝軟件；你想編輯圖片，就需要安裝編輯軟件。我們覺得大腦里可能也有這么一種“軟件”，支持很多算法來對接大腦這個硬件。

◆ 我們?nèi)绾蝸眚炞C這個假設(shè)呢？

比較常見的一種方法是核磁共振，通過測量大腦釋放某些物質(zhì)的能量來為大腦照相。但它的缺點是費時，兩秒才能照一張相，沒有辦法跟上人類思維的速度。另一種無創(chuàng)方法，是用電生理技術(shù)照腦電圖和腦磁圖，可以每一毫秒照一張，實時監(jiān)控大腦的動態(tài)。我們就用這兩種無創(chuàng)的方法來回答大腦是如何支持我們行為的。

具體的算法有很多，我就介紹三種最基本的算法。

1.輸出越多，傳導(dǎo)效率越低

我們做一個實驗。先在紙上寫一個字，比如“然”字，然后你盯著這個字一直看，使勁看，嘴里念叨：“然然然然……”

你覺得有什么奇怪的事情發(fā)生嗎？是不是這個字變得奇怪了？你覺得突然不認(rèn)識這個字了。怎么“然”字右上角的犬字突然出現(xiàn)了？

大家可能都有過這個經(jīng)歷，我自己就經(jīng)常這樣。那時候，我就說是不是我癡呆了，突然不認(rèn)識這個字了？

其實，當(dāng)你看“然”字的時候，你的視覺信號會分析它的字形，然后將這些信號傳導(dǎo)到腦區(qū)，另一個腦區(qū)會分析這個字義?？扇绻憧淳昧耍畔⒌膫鲗?dǎo)效率會降低。我們可以用數(shù)學(xué)模型來解釋這件事。

大腦中的神經(jīng)元是通過化學(xué)信號來傳遞電信號的。如果有信息輸入進(jìn)來，大腦通過神經(jīng)遞質(zhì)把電信號傳到下一個神經(jīng)元。下一個神經(jīng)元的輸出就是最下面公式的“O”。

可以看到，輸出其實是一個神經(jīng)遞質(zhì)含量的函數(shù)。而神經(jīng)遞質(zhì)其實就是它的傳導(dǎo)效率。從第二個公式看，神經(jīng)遞質(zhì)的傳導(dǎo)效率又跟輸出有關(guān)。也就是說，你輸出越來越多，你的神經(jīng)遞質(zhì)就會越來越少。

這是一個動態(tài)的關(guān)系。舉個例子，你讀“鴨子、鴨子、鵝”，你讀了兩遍鴨子，在視覺區(qū)和字形區(qū)，神經(jīng)遞質(zhì)就會減少。在你說第二次鴨子的時候，對鳥類這個語義的激活程度已經(jīng)很低了。但是，接著你念了“鵝”，又再次激活了鳥的含義。

我們進(jìn)一步用神經(jīng)科學(xué)的方法來研究。我們會讓你看一個字，同時記錄你的腦電圖。我們發(fā)現(xiàn)在400毫秒之內(nèi)，你會發(fā)生一系列大腦的處理活動。

比如，大腦可以在100毫秒、200毫秒和400毫秒的時間內(nèi)，依次進(jìn)行初級的視覺處理、字形處理和字義處理。

我們用動態(tài)的數(shù)據(jù)分析方法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你盯著一個字看久了，視覺字形皮層和字義皮層之間確實存在傳導(dǎo)效率降低的現(xiàn)象。

你認(rèn)為這是短時閱讀障礙，但其實是大腦很重要的一個功能。

為什么重要呢？假如你是一個原始人，在大草原上聽見貓叫。你發(fā)現(xiàn)聽過很多次貓叫，你也不會死，說明這個貓對你來說不重要。但是如果你突然聽見老虎叫，你會立刻反應(yīng)“哎，快跑！”所以，新穎性探測對人類是很重要的。神經(jīng)之間的傳導(dǎo)過程是會影響我們行為的。

2.不同信息源加權(quán)平均形成新的表征

我們的信息不一定總來自一個模態(tài)。如果有兩個或者多個信息源輸入的話，我們的大腦會怎么處理這些信息？

我們錄制過一個視頻，是我的學(xué)生在說一個音節(jié)。當(dāng)你一邊看說者的口型同時試著努力聽這個音節(jié)，會聽到一個聲音？然后你再閉上眼睛聽，你會發(fā)現(xiàn)兩次聽到的聲音不一樣。為什么會不一樣？

其實這個聲音一直都是發(fā)“BA”這個音節(jié)。但是，大家睜開眼的時候聽到的是“DA”，閉上眼聽到的是“BA”。

為什么會這樣？因為你看見她的嘴動，是“GA”的口型。當(dāng)你邊看邊聽時，視覺看到的“GA”與聽覺聽到的“BA”融合在一起，就變成了“DA”。

如果用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的話，它是一個加權(quán)平均的效果。什么意思呢？就是兩個信息源根據(jù)不同權(quán)重加起來形成一個新的表征。

這個權(quán)重如何決定？我們大腦里有一個計算方式。我們認(rèn)為權(quán)重大小可能是與某個信息源的方差成反比。方差意味著它的不確定性，方差越大，不確定性越多。

權(quán)重與方差呈反比，也就是說，越確定，你就會越依賴于它。這就是為什么看電影的時候，你會覺得聲音是從屏幕中的演員嘴里說出來的，而不是從兩邊的喇叭里說出來的。如果大腦覺得兩個信息源的權(quán)重是差不多，就像剛才“DA”的實驗，你會聽見第三種聲音。

如果聽的信息與看的信息一致的話，大腦會做1+1大于2的計算。而如果它們不一樣的話，那就是1+1小于2。

這表明，大腦確實有一種機(jī)制把不同的信息源，按照不同的方式整合起來，從而影響我們的行為。

3.大腦有預(yù)測機(jī)制，直接調(diào)制聽覺皮層

通常我們所說信息源一般是由外界而來。如果有信息是來自內(nèi)部呢？比如說我們的記憶，對吧？

大腦并非機(jī)器，有其主動性。它不是等著信息來了再分析，而是會主動預(yù)判的。

講到這里，就是時候解釋為什么我們不能逗自己笑了。

我們都知道，我們的運動系統(tǒng)控制著我們的動作，感覺系統(tǒng)讓我看見、聽見，這兩個系統(tǒng)不是彼此孤立的。運動系統(tǒng)發(fā)出信號時，可以直接傳導(dǎo)到感覺系統(tǒng)，而這個信號可以是預(yù)測某個動作產(chǎn)生的結(jié)果。

就像你自己撓癢和別人撓癢，其實癢的感覺是一樣的。唯一的區(qū)別是大腦里的運動系統(tǒng)會提前告訴感覺系統(tǒng)說：“我自己會碰到自己了。”這個預(yù)測信號與反饋信號是一模一樣的，所以會互相抵消，你就不會有癢的感覺了。

不止是撓癢的現(xiàn)象，你有沒有想過為什么我們能流利地說話呢？

你們覺得說話是很容易的事情，其實它是非常困難的。以我的語速，大概1秒鐘能說8個音節(jié)，也就是每125毫秒要說一個音節(jié)。我不僅要把意思表達(dá)出來，要知道如何來說，如何控制我的肌肉來輸出，還要隨時監(jiān)控我說的話，保證它是我想說的。

我們是如何在125毫秒之內(nèi)完成如此多功能的？我們認(rèn)為大腦里有一個預(yù)測機(jī)制，會從你的運動系統(tǒng)直接告訴感覺系統(tǒng)你將要說什么、怎么說。而這個預(yù)測與反饋對比，進(jìn)一步來控制我們的輸出。

如果要用神經(jīng)科學(xué)來證明的話，有一個問題就是你的輸出與大腦的預(yù)測在時間上和空間上是重疊的，我們的所有結(jié)果都會被說話所掩蓋。

于是，我想到了最傳統(tǒng)的心理學(xué)范式——想象說話。

想象其實就是一個預(yù)測的過程。如果被試者想象說話，我們可以直接觀察大腦是否有這個預(yù)測過程。有意思的是在想象說話后的170毫秒，被試者大腦產(chǎn)生了一個圖像，跟你真正聽見聲音時，大腦產(chǎn)生的圖像一模一樣！這就證明了大腦里確實有預(yù)測機(jī)制，它可以激活聽覺皮層。

那預(yù)測機(jī)制能否與反饋機(jī)制融合在一起呢？只有融合在一起，才能實現(xiàn)監(jiān)視我們說話的功能。

我們又做了一個實驗。

我們讓被試者來想象說“DA”這個音節(jié)。可以是想象大聲喊“DA、DA、DA”，又或是想象小聲說“DA、DA、DA”。然后，我們會讓他們聽真實的“DA”聲。

結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)想象聲音的大小會影響真實聽見聲音的大小。如果你想象大聲說話，那么你后面聽到聲音時，會覺得聲音變小了。

比如你今天回家太晚，覺得伴侶會跟你吵架。于是，在電梯里，你已經(jīng)想象過一遍吵架了，吵得非常兇，聲音非常大。待會你進(jìn)屋的時候，會覺得聲音稍微柔和了一些。

時間（毫秒）

所以說，想象的東西其實在大腦里也會有反應(yīng)，可以直接調(diào)制你的聽覺皮層。

最后，所有實驗得出的結(jié)果是，我們所有的思維、意識和行為都是一套復(fù)雜完整的算法在腦這個硬件上計算出來的結(jié)果。

這個算法就是我們認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)主要研究的方向。由于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)只有幾十年的歷史，我們對大腦算法的理解還非常膚淺。但是，現(xiàn)在全世界約有幾十萬個神經(jīng)科學(xué)研究者在共同奮斗，還有工程學(xué)、醫(yī)學(xué)甚至哲學(xué)等其他領(lǐng)域的人們在加入我們的隊伍。世界上所有主要國家也都在開展或正在醞釀開展腦計劃，包括我們中國。

對大腦機(jī)制的研究非常有意義，不僅可以加深我們對自我的認(rèn)知，而且有著巨大的應(yīng)用前景。比如預(yù)防治療腦疾病，尤其是一些精神疾病。此外，還會促進(jìn)人工智能質(zhì)的飛躍，因為只有我們研究出了大腦的算法，計算機(jī)才能進(jìn)行模擬，真正地理解人。