大脑是如何认知这个世界的呢？图源：pixabay.com ChatGPT之所以令人震惊，因为它不仅整合了海量信息，还近乎完美地模拟了人类语言的表达。如果说ChatGPT是个黑箱，那我们的人脑黑箱则有过之无不及。幸运的是，我们对人脑的研究历史要远远超过对ChatGPT的研究。 今天《赛先生》推荐的书评，就是关于大脑如何认知世界的。仇子龙 ｜ 撰文
如果给你一台具有超高分辨率而且无限内存的照相机，你是否能记录下全世界的美妙景色？比如，当面对绚烂的晚霞或者盛开的鲜花，举起相机，你是想事无巨细地记录下镜头里的所有事物，还是抓住最精彩的部分而忽略其他？这本《大脑地图》讲述了你肯定会感兴趣的一个话题，我们的大脑究竟怎样认识世界的？作者丽贝卡.施瓦兹洛斯博士是神经科学博士，曾担任认知科学著名学术期刊《Trends in Cognitive Science》的编辑，她用生动的笔触告诉我们一个简单的道理：大脑用画地图的方式来认知世界。对，在大脑中有一个世界的地图。我们的大脑中是怎么装进这大千世界的呢？这蕴藏了神经科学家经历了数个世纪才掌握的大脑运行原理。在这里请允许我将书中的精彩叙述归纳为三条：大脑认知世界，首先要靠感觉器官，例如眼睛看，耳朵听，以及皮肤感受温度和物体的形状。但是我们每天都看到不同的景象，耳朵会听到各种声音，皮肤也会接触到无数种物体，究竟怎样建立对世界的准确认知呢？大脑采用了非常巧妙的方式。以视觉为例，当我们看到绚烂的晚霞，此刻大脑通过眼睛接受到了什么信号呢？早期研究者给猫看各种图片，然后在大脑皮层上记录神经元在眼睛看到不同图片时发生的电活动。研究者发现了几个很有意思的规律。首先，大脑皮层上有专门控制视觉的区域，称为视觉皮层，视觉皮层的神经元会对眼睛看到的东西产生反应。但是有趣的是，视网膜的神经元和视觉皮层的神经元虽然都会对视觉看到的东西产生反应，但是却有很大不同。视网膜的神经元倾向于对简单的形状产生反应，而视觉皮层神经元则对复杂的形状，甚至会对沿着某一方向运动的物体产生反应。所以我们可以理解为视觉皮层是更高级的司令部，对视网膜前线传来的信息进行了整合归纳，然后告诉我们看到了什么。其次，研究者发现了更深层的奥秘：对于视觉皮层来说，对视网膜里看到的物体并非一比一的再现，而是发生了失真。这怎么回事？我们人类的视网膜里有一块区域叫黄斑，里面聚集着高密度的感光细胞，所以黄斑对应的区域则是我们视觉最敏锐的区域。当你在看电影的时候，你的头会不自觉地调整方向，让你视网膜里的黄斑对准大屏幕上你最关注的地方—比如主角的脸庞。在视觉皮层上，黄斑传来的信息则会占据视觉皮层最主要的区域。这个发现告诉我们一个重要信息，世间万物都很美妙，但是我们的眼睛会寻找最重要的东西，用黄斑将信息传进大脑，而视觉皮层也会用主力资源来处理从黄斑传来的重要信息。因此我们的视觉皮层上形成的大脑地图具有“失真”的特点。你可能会说，失真多不好，眼睛里布满黄斑，视觉无比敏锐，会不会是生物演化的以后方向呢？我看未必，你在坐地铁的时候，是否注意到站台上的地铁路线图？那种地铁路线图小小一页纸就能把一个大城市的地铁线路全部放在里面。不过仔细的你会注意到，这个图也是“失真”的，肯定不会按照真实比例尺来画，因为按照真实比例就不可能在这么小的一页纸上画满大城市的几十条地铁路线。我们的视觉皮层处理信息也是这个原理，我们需要将眼睛看到的东西呈现在视觉皮层上，但是视觉皮层又没有那么大地方，怎么办呢？于是哺乳动物演化出了黄斑，是视觉感受的精锐部队，我们看东西的时候会先用黄斑接收最重要的信息，而视觉皮层也会优先处理黄斑传来的信息。运用抓大放小的方法，全世界就被视网膜再现在视觉皮层上的大脑地图上。你可能会好奇，那哺乳动物都有黄斑吗？大部分是的，也有例外，比如小老鼠。原因可能是因为，小老鼠长期生活在洞穴里，用胡须触觉来感受四周，因此没有演化出黄斑。毕竟，高密度的感光细胞也会消耗巨大的能量，如果不能带给动物足够的生存优势，是不会被大自然选择，在漫长的演化过程中保留下来的。那小老鼠的胡须触觉是怎样将全世界装进大脑地图的呢？居然运用了类似的原理呢。用人类的皮肤触觉为例，对我们来说，皮肤触觉也是重要的感知世界的方式，比如我们用双手操作工具、抚摸爱人与孩子。我们之所以有触觉，是因为皮肤表层下面有触觉感受器，我们全身都有皮肤，而且全身皮肤表层下面的感受器都一样，不过大脑感觉皮层对全身皮肤感受器送过来的信息处理可大有不同了。我们的视觉皮层优先处理黄斑传来的信息，感觉皮层呢？你可能猜到了，会优先处理我们双手传来的信息，而且手上的信息也是最常接触到物体的大拇指和食指在大脑感觉皮层中的投射区域最大。投射区域越大，感觉越敏锐，所以同样一颗针，扎大拇指引起的痛觉反应远大于扎手背，更远远大于扎小腿肚子，俗话说“十指连心”啊。所以你看，我们的触觉也采取了“抓大放小”的方法，要想在大脑地图里尽快建立摸到东西的景象，将大脑皮层的力量投入到最可能接触到外界物体的双手上去。大脑的感觉地图上除了双手，还有哪个器官会占有很重要的地位呢？你可能猜到了，舌头。对，人类的舌头担负着品尝美味的重任，在大脑感觉皮层上的占领区域也是很大的。整体来说，我们的大脑通过感觉器官中的精锐部队“视觉中的黄斑，触觉中的手指”，在大脑中形成了万事万物的地图。尽管这个地图并非一比一还原了全世界，却用有限的资源，将其中最重要的信息在大脑中保存下来。知道了大脑感知世界的地图模型，感受到了信息，接下来就是对信息做出反应，产生相应的运动。那么我们的运动能力是用什么原则来实现的呢？知道了感觉信息的原理，你可能也会猜到，大脑中对我们能运动的器官，比如四肢，估计也会有专门的大脑皮层来管理吧？对的。这个脑区叫做运动皮层，确实对应着重要的运动器官。但是《大脑地图》书中介绍的运动地图故事更有趣。一百多年前，有一位医生发现病人的手脚会出现不自然的抽搐，就像癫痫发作。这位医生发生病人手脚本身并没有什么问题，奇怪的地方是大脑受到了创伤，因此他推测，大脑中分管手脚的区域发生了损伤，因此发送了异常的运动信号，导致手脚抽搐。这个理论在当时真是天方夜谭，但也引起了一些同行的思考。后来真有一位医生得益于这个猜想，他发现男孩在头部受到撞击后，左臂和左腿都发生了严重癫痫，于是医生判断是大脑受到了创伤，果断给男孩进行脑外科手术，清理了大脑中淤血和受伤组织。男孩的癫痫居然痊愈了。在大脑中发现对应运动器官的地图以后，还有许多更有意思的发现。例如研究者发现有些脑区虽然不直接影响肢体运动，但是却与运动意图的产生有关，在控制肢体的脑区活跃之前，这些脑区就会发放电信号。这些脑区是大脑运动地图的前奏。这个发现为现在如火如荼的脑机接口研究提供了一个绝好的素材。脑机接口的一个很重要的应用场景，就是病人遭受的脑外伤导致了肢体瘫痪。科学家和医生希望找到控制瘫痪肢体的脑区，用脑机接口进行刺激，但是如何根据人类的意图来平稳地操纵肢体却是很大的难题。这个“意图”脑区的发现就是一个突破。简单来说，研究者先提取健康的意图脑区在某一项运动前的电信号特征，然后再将这个电信号人为制作出来，输入到瘫痪患者的意图脑区里去。再辅以反复训练，最后患者就能通过“意念”来控制机械臂给自己来一杯饮料了。这不是科幻小说里的场景，已经在脑机接口的实验室成功实现了。针对大脑运动地图的研究意外地成为脑机接口领域的基石。对于大脑地图最重要研究还在于发现，地图的形成和维护都是可塑的。换句话说，大脑地图的建立会被外界环境的输入改变。对感觉地图来说，这个可塑性有个很有趣的例子。在所有高等灵长类的大脑中，比如猕猴和人类，研究者都发现了一个脑区对同类的面孔特别敏感，每当看到同伴的面孔，这个脑区里的神经元就会非常活跃地发放电信号。那么这个脑区是生下来就会识别同伴面孔的么？研究者做了这么一个实验，在小猴子刚生出来以后，不让它看到任何同伴和饲养员的面孔，饲养员在喂养的时候也故意遮住脸。当小猴子长大以后，一切正常，但是大脑中的这块脑区却对面孔没有任何反应了。这个实验说明能够识别面孔的脑区是后天形成的，大脑在我们还是襁褓中婴儿的时候，就在学习认知外部世界了。你可能会接着往下问，为什么灵长类大脑中会出现这个对面孔特别敏感的脑区呢？我猜想，识别面孔可能是灵长类的群居生活中演化出来的能力，对识别同伴，发现敌人至关重要。运动地图也是如此，优秀的钢琴家是靠天才还是勤奋成功的呢？研究者让从来没接触过钢琴的被试者进行15个月的钢琴训练，结果发现，进行了一年多的训练以后，大脑运动皮层中管手指运动的区域显著扩大了。更灵巧的钢琴手指技巧肯定需要更大的运动皮层来控制。我们可以推测，天才钢琴家在没弹过钢琴之前，大脑中的运动皮层应该和普通人也是一样的。非凡的钢琴技巧并非天生如此，而是需要后天刻意练习。著名的一万小时理论，看来还是有些科学依据的。在读完这本书后，我对大脑中对世界的表征机制有了全新的认识，也引发了我进一步的思考。这跟读者分享两个。第一，“缸中之脑”真能实现吗？如果我们真想在体外模拟大脑的信号，比如著名的“缸中之脑”猜想：把人类的大脑取下来，提供足够的营养，然后输入真实的感觉信号，大脑的主人就会被造出来的虚拟现实迷惑吗？明白了大脑地图的认知框架以后，我发现，如果要真实现缸中之脑，除了给大脑足够的信息之外，是否需要让大脑先建立足够的认知地图呢？而且，如果要给大脑的主人建立一个漫步在阳光下的场景，除了输入足够真实的感觉信息，还要让大脑能够发出完整的运动信息，并提供反馈信息—让运动地图也完整建立。这样才能让大脑认为自己还在双肩之上。第二，拥有超强算力，就能再现人类智能吗？电影“流浪地球2”中的超级量子计算机“550W”让人印象深刻，仿佛有了超强算力就能再现人类的智能。不过我总觉得，在没有搞明白大脑认知世界的框架之前，超强算力能做的可能最多只是像现在大火的AI程序ChatGPT那样，识别自然语言，搜集已有信息，然后给一个很客套的回答。我曾经问目前版本的ChatGPT（2023年2月），“你要是我的朋友，我抑郁了你会怎么安慰我？”ChatGPT客套的说，不好意思我是AI语言模型，只能给你一些建议。这些建议跟直接问“我抑郁了该怎么办”的回答是一样的。人类的智能是什么？看完这本书，我想和大脑中的认知地图很有关系的。目前所有的人工智能深度学习模型，首先需要的是海量的数据。大脑在处理海量感知觉数据的时候，需要的能耗是目前最先进GPU的很小很小的部分。从大脑处理信息的原理上，我们能学到的还有很多很多。这一切都需要对脑科学做更基础的科学研究。脑科学如此迷人，科学家们忙碌了上百年才得以管中窥豹，发现了大脑的一点点秘密。我相信在接下来的脑科学研究中，洞悉了大脑地图原理的科学家会发现更多的大脑认知机制奥秘，例如，思考是如何进行的？人类的思维和人工智能究竟有什么不同？能否真正在灵长类大脑中操控记忆？能否用脑机接口来实现缸中之脑？上传人类意识与记忆？我相信这个列表可以一直列下去。幸好，没有三体人的“智子”来锁死人类脑科学发展，现在的科学幻想以后都会被一步一步的实现。脑科学，让我们出发！
注：本文为作者为《大脑地图》书序撰写的序言，《赛先生》获作者授权在微信公众号首发。作者简介：
BOOK TIME
这本书是一场通向大脑的探索之旅，展示了蚀刻在灰质中的地图如何塑造感知、思维和行动，以及科技如何利用它们读懂大脑。在书中，作者用令人难忘的真实故事、前沿的科学研究和生动的插图揭示了大脑地图的奥秘，为我们认识自身地位和内心世界打开了一扇窗。作者丽贝卡·施瓦茨洛泽，圣路易斯华盛顿大学神经科学家，拥有麻省理工学院神经科学博士学位，曾担任学术期刊《认知科学趋势》主编。
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