读心术解密

本文材料很多取自： Nature - Invariant visual representation by single neurons in the human brain 

由于观点极为新颖大胆，请部分当做科幻小说来读。欢迎关注许铁更多计算神经科学系列。

人脑里的200亿神经细胞，如同浩瀚的星空。星星交替闪烁，构成我们心智的密码。一百多年里，这都是科学最大的秘密。  

人们对神经元放电和人的记忆等心理活动关系的最初认识，来自于上世纪中期的脑外科医生。

神经科学的创始人之一penfield在做一个外科手术的时候，将一枚电极插入一个女人的大脑里，那个女人忽然间看到了6年前她分娩时候的情景，而且就像真实发生的。这样一个故事，在那个时代算是天外童话一般，以至于那个医生把这种现象归结于：woman is unpredictable...没有人猜的透女人的想法。。

从那时候起，人类开始明白神经细胞，这种生命系统最神奇的细胞的放电，和我们的内心世界，每一个微小的想法，紧密相连。 

神经细胞的放电最终是如何和认知现象相连的，这个基本问题被称作神经编码，因为它被归入信息论。

为什么叫编码？首先，放电是什么，是神经细胞间在传递信息, 好像一个细胞在像另一个细胞喊话。细胞放电的信号可被小小的电极测量，这也是我们唯一能够掌握的可测量量。这些电生理学家记录的电信号，就像战争里特务使用的密码本，说的是有关于我们所有的事情，只是我们看不懂。而解码的过程，就是读懂这个电信号的密码本。 

这个解密的过程，有一个阶段是特别容易的。就是视网膜的编码，因为这个装置就是个数码相机，光线通过眼镜这个镜头，投射到视网膜神经元，每个细胞对应相机的一个像素。但是这个相机的美梦止于第一步。 当神经信号进入下一层，上丘，视皮层，更下一层， 海马，我们的信心就把打击的无影无踪。神经细胞的信号变得杂乱无序，再也构不成一张照片。而我们的感觉，心理活动，其实正是来自这些深层脑区。--所谓相由心生，我们所说的眼见，其实是这些深层脑区的信息。但是当我们直接看这些信号，它们却一点不像我们看到的。

最近看到一篇十分惊人的nature文章（2005，可能是近年对这种神经编码的最大突破。它指出的是，深层脑区的编码，指向抽象的概念，而非具体的图画，它就像一个寻找不同事物间不变属性的计算器，通过不变性形成对事物的概念，然后通过概念的联系，重构世界。 这个观点和某些古代哲学家的观点，柏拉图和康德，不谋而合。构成世界基础的是抽象的概念而非具体的事物。

这篇文章首先试图回答认知科学的核心问题： 为什么人脑能够在极短时间辨别一个人或者物体，即使这个人和物体处在相当不同的状态，甚至穿上了马甲，都可以给他认出来，而且你可以 一下子联系到和这个人吃的饭，说的话，等等所有细节？ 

你认出一个人当然是因为你早就认识这个人，那么，你要懂得负责记忆的核心部位-海马体。

海马体，是一个形似海马的部位。最准确的说法是它是人脑的ram-内存。因为他负责大脑的情景记忆。这个脑区就像一台小小的摄像机，将发生的事情，时间，地点，人物快速的存入其中，并在较长一段时段保存他们（但是更久远的多年前的事情存储在其它部位，这个是由于一个切除海马的病人的情况获知的，它记得童年，却无法形成那个对昨天的记忆，生活在永恒的“当下”）。 

海马-大脑的内存，大脑信息联系的枢纽--因形似海马而得名。

它还有一个另外的功能，空间导航（navigation）。这个脑区的神经元会对视觉信号进行加工，形成对一个地点的印象。

这两个功能看似没有关联，实则是一体的。情景记忆无非是时间地点人物，只需在时空坐标上加上对物体的认知就够了。

你要形成对事物的任何印象，都要先经过这个脑区。一个人，一张桌子，一座大楼，都在这个地方编入记忆，而怎么编入记忆，你只需要聆听它在说什么。。

当然，没有什么人会把它的海马打开让你插入电极。除了一种情况。。癫痫。癫痫是由于神经细胞的大规模同步放电造成。其实人的神经细胞只有在半死不活的状态才工作正常，如果它兴奋过度，就癫痫了。当然这是一个痛苦的病患，但是这个病却给读心术提供了绝佳的甚至唯一的机会，因为治疗癫痫的手术需要开颅检测大脑的电信号，确定过度兴奋的区域，这个过程可以持续几天，在这些日子里，人可以是清醒的。也就恰好给科学家提供了探索的机会。 

这个实验来自2005年的一篇nature文章-Invariant visual representation by single neurons in the human brain.

实验研究8个患癫痫病的病人。采访每个人对什么感兴趣，是某个美女，还是悉尼歌剧院等。然后呢，当这些人的海马插入电极的时候，科学家就拿出一个大屏幕，给他们看上面出现的大美女，歌剧院，当然还有路人甲，路人乙，一些无关的动物等等。然后看哪些图像会引起海马神经元的反应（放电）。 

如果看到一些细胞对大美女反应（放电）了，科学家就再做一次实验。准备第二组图像，是这个美女穿衣服，脱衣服，穿不同衣服的，小时候的，打扮成动物的，和其他人活动等等图片，甚至还有更抽象的他的名字的符号，和录音。看看这回哪些细胞会反应 。

一个惊人的发现是，科学家发现海马及周边区域内的一组固定的细胞， 只要出现和这位大美女相关的图像，甚至包括抽象的符号， 就会起反应。我们说，这就是这个美女的概念细胞。而这组细胞对不是这个美女的图像表现的兴致全无，几乎都看不到它们放电。  以下是Nature的示意图

图： 第一组实验，实验者发现病人脑中一组对Jennifer Anniston（老友记女主演）反应的细胞（开头那几张）。无论什么样的Jennifer Anniston都会引起这组细胞放电，而其他的物体或人出现时候，这组细胞几乎不放电。那个照片底下的红色图表就是放电率。红色柱比较高就是放电率高。 这组细胞可称为jennifer细胞。

这组是Halle Berry （第一排）， 无论是她打扮成猫女还是任何发型，都有一组细胞对她敏感，甚至包括了她的名字（第一排末尾），这种抽象符号。 因此这是实验的第二阶段。halle berry 这个概念包括具体的星像，变化的形象，还有抽象的她的符号。

第三组图片把研究拓展到标志建筑，这个是一组悉尼歌剧院起特定放电的细胞，包括歌剧院的形象和它的英文名。

但是这组实验效果没有上一组明显。 

好似看似貌不惊人的研究，却在提示大脑深层神经细胞的最基本属性： 大脑深层神经细胞搜索的是概念，是抽象，越是抽象的，就越有效。

不是说某个大美人的脸吗？ 不是很具体吗？ 怎么扯到抽象了？ 扯到概念了？

我们不理解一些东西是因为我们太熟悉。 你见到大美人的一张照片，不代表你对她形成了任何认识，她可能只是在你眼里稍纵即逝的图像。所谓认知，是一个主动的过程，你用从无数的观测角度对事物进行结构，把不同的信息综合。 大美人=女人+美貌+ 名字+年龄+籍贯+她主演的电影+她和谁好， 所以你看到，只要美人的照片对这些抽象的信息解构了，你才对它形成了认识，你把她的信息填入这样那样一个抽象的框框里，好想一个好奇人做的问卷调查。

然后呢？  然后你形成了“她”的概念，不是张三，不是李四，而是她，独一无二的她，独一无二的她是什么？ 如果她明天长了三头六臂还是她吗？ 你看，这是一个抽象的问题， 就像古代的公孙龙问什么是马，白马是不是马一样。 

而形成她的概念的关键是，找到不变量。不变，相对什么不变？ 想对她，即使有一些细节变了，但是你通过对以往关于她大量细节的综合判定，你依然知道是她，正因为她不会在短时间长出三头六臂，具有众多变化中的不变一面，你才得以对她形成认识，形成记忆。

这篇文章，用科学的手段，回答了这个极为关键的问题。那些大脑深层的神经元，正是在捕捉纷繁事物间的联系，形成一个抽象的概念，通过它们，统领了我们对世界的认识。那些如浩瀚繁星般的神经元，不是具体的一张张脸，而是概念的星空。

其实仔细想想，这也是大自然聪明的表现，如果你要想人类设计的笨拙的电脑一样把一张张图像分作像素保存，要储存你每一秒钟看到的图像，整整一生时间，需要多少台电脑？ 如果把它们放进一个个抽象的概念。那么一个具体的画面，无非是划过概念空间的一个轨迹，把几个相关概念链接起来就是了。 

小明去上学。 小明的信息和学校的信息是早已有之，那么把他两个之间连个线，就有了小明去上学。 

回到起初的问题，海马是干什么的？ 空间导航！为什么我们会用这个微妙的空间导航器形成记忆？ 空间，坐标，是什么？ 不正是一组事物的联系吗（x，y，z）？如果把实物空间变成抽象空间呢？ 把x，y，z，变成名字，籍贯，性别呢？  是不是很微妙？  

这让我想到的一个节外生枝的问题是，为什么抽象的学科如数学会如此成功，为什么古希腊的毕达哥拉斯觉得数学的世界才是世界的真实？ 到底是抽象，还是具体，是人类的幻想，抑或都是？  这些问题回答尚早。

最后，还是说说读心术，我想读了上面的，你也可以设计出读心术的流程。把对应某个概念的特定细胞找到，聆听她们的声音。当这组细胞放电，就是它们在回想那个特定概念。如果能找到很多细胞对应的信息并记录所有它们放电活动，就可以听到我们的内心。

神经编码，是神经科学最大的谜团，我想，当然不可能只有一种机制，对它们的理解，将是人类最大的挑战。但是了解他们可能解除的人类痛苦，也将浩大到不可计数。--美国，欧盟浩大的脑科学计划的目标，号称人类第二登月。

这篇nature文章指出的机制简单到难以置信，正想爱因斯坦曾经说的，这个世界最难理解的地方是它可以理解。