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大脑是如何存储一个特定概念的?

作者:admin 时间:2017-03-31 浏览:人次

    从前,俄罗斯有一个著名的神经外科医生,叫做阿卡赫·阿卡诺维奇(Akakhi Akakhievitch)。有一个古怪的病人,希望阿卡诺维奇帮他彻底忘掉他那专横讨厌的母亲。阿卡诺维奇答应了他的请求,打开病人的头颅,一个一个地剔除了数千个神经元,这些神经元都与病人对他母亲的记忆有关。术后,病人从麻醉中苏醒,奇迹出现了,病人失去了所有关于他母亲的记忆,不管是好的还是坏的记忆。阿卡诺维奇对手术的成功感到非常欣喜,高兴之余,他决定致力于下一项研究——找出那些与对祖母的记忆有关的神经元。
 
    这个故事当然是虚构的。1969年,神经科学家杰里·莱特文(Jerry Lettvin,已故)在麻省理工学院演讲时,讲述了这个故事,用来阐述他那个后来被戏称为“祖母细胞”(grandmother cells)的理论。莱特文认为,我们日常的每一种意识体验、思维以及记忆,不管是对于某个亲戚朋友,还是其他任何人或者物,都只有大约18 000个神经元与之对应。不过,莱特文后来既没有进一步证明,也没有放弃他的大胆假设,而40多年来,科学家对“祖母细胞”理论也一直有不同看法。
 
    认为神经元以一种非常具体而明确的方式存储记忆的观点,可以追溯到19世纪末威廉·詹姆斯(William James)提出的所谓“教皇细胞”(pontificial cells)的理论。该理论认为,人们的意识就是由“教皇细胞”产生的。但是,不管是“祖母细胞”还是“教皇细胞”假说,都与当时的主流理论相悖,即诺贝尔奖得主查尔斯·谢灵顿(Charles Sherrington)在1940年提出的“亿万神经元大民主”(a millionfold democracy)的理论。这一理论认为,对任何人和事物的感知,都要依靠亿万神经元的大协作来完成。在这种情况下,任何单个神经元的活动都毫无意义,只有大规模神经元群体的合作才能创造意义。
 
    几年前,我们与加布里埃尔·克赖曼(Gabriel Kreiman,现在是美国哈佛大学医学院的副教授)和莱拉·雷迪(Leila Reddy,现在是法国图鲁斯脑与认知中心的研究员)合作,完成了一次不寻常的实验,在一个病人大脑的海马区(hippocampus,与记忆有关的一个脑区)发现了一个非常有趣的神经元,这个神经元只会对美国女影星珍妮弗·安妮斯顿(Jennifer Aniston)的图片产生强烈反应,而对其他事物(数十个其他男影星、社会名流、场所或动物)的图片无动于衷。在另一个病人的海马区,也发现了一个特殊的神经元,只在女影星哈莉·贝瑞(Halle Berry)的图片出现时放电,甚至计算机屏幕上显示贝瑞的名字时也会放电,而对其他事物保持沉默。还有一个神经元只对女影星奥普拉· 温弗雷(Oprah Winfrey)有反应,当出现她的图片,或者计算机屏幕上显示她的名字,或者播出由计算机合成的奥普拉·温弗雷的读音时,这个神经元就会放电。此外,科学家还发现一个神经元,只有在出现天行者卢克(Luke Skywalker,电影《星球大战》中的角色)的图片,或者计算机屏幕上显示他的名字,以及播出由计算机合成的名字读音时放电。类似的例子还有很多。
 
    通过直接记录单个神经元的放电情况,就可以实现这类观察研究。另外一些更常用的技术,例如大脑功能成像技术,可以观察受试者在执行一个特定任务时整个脑区的活动情况。大脑功能成像可以追踪大脑中兴奋区域(通常包含几百万个神经元)的整体能耗情况,但是无法分辨一小群神经元的活动,更不用说单个神经元了。为了记录单个神经元发放的电脉冲,需要在大脑中植入比头发还细的微电极。这种技术不像大脑功能成像那样常用,只有在特殊的治疗过程中,才会将微电极植入病人大脑中。
 
    在治疗癫痫病人时,偶尔会有这样的机会。当病人的癫痫强烈发作,普通的治疗又无法控制症状时,就需要进行手术治疗。在某些情况下,切除癫痫病灶是可行的,甚至有可能使病人治愈。手术前,医生需要通过各种技术对癫痫发作的起点位置和病灶进行精确定位。当然,医生会首选非侵入性技术,如大脑功能成像,来进行手术前的评估性检测,综合考虑各项检测指标,并通过病人头皮的脑电图记录,分析病理性的神经电活动(癫痫发作时,大量神经元同步密集放电)。但有时,依靠非侵入性技术不足以对癫痫病灶进行精确定位,此时,神经外科医生就只能求助微电极。他们将微电极深植于病人大脑中,并让病人留院观察,以便持续监测病人的大脑活动,再根据监测数据分析癫痫情况。
 
    在病人留院观察期间,有时科学家会邀请病人作为自愿者,参加研究性实验,让他们进行多种认知任务,同时监测他们的大脑活动。在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校,我们使用了一种独特的技术,将非常纤细的金属丝引导的柔性微电极(flexible electrodes)植入自愿者大脑进行记录。该技术由弗赖特发明,他在加利福尼亚大学洛杉矶分校领导着一个癫痫手术研究项目(Epilepsy Surgery Program),并与世界各地的科学家进行合作,包括美国加州理工学院柯赫的研究组,以及英国莱斯特大学奎恩·奎罗格实验室的科研人员。利用这项技术,我们得以直接记录大脑在执行不同任务时单个神经元的放电情况。实验中,病人注视着笔记本电脑屏幕上显示的图像,回忆或者执行其他任务,我们则连续不断地监测病人神经元的活动。正是在这一研究中,我们发现了“珍妮弗·安妮斯顿神经元”,而且我们的发现也在不经意间重新点燃了莱特文的 “祖母细胞”理论所引发的争论。
 
    大脑是如何存储一个特定概念的?是通过为数不多的神经元(例如几千个,甚至更少的神经元)来存储,还是动用大量神经元(数以亿计的神经元)分布式地存储在整个大脑中?神经科学家在这个问题上一直争论不休。不过,这种争论也带来了好处,让科学家对记忆和有意识思维有了新的理解。有趣的是,在此过程中,好莱坞还帮了一点忙。
 
    像“珍妮弗·安妮斯顿神经元”这样的神经细胞,会不会就是科学家长期争论的“祖母细胞”呢?为了回答这个问题,我们必须首先给“祖母细胞”下个精确的定义。对于“祖母细胞”假说,一种极端的解释是,一个神经元对应一个概念。但是,既然我们能够找到一个单独的神经元,它只对珍妮弗·安妮斯顿兴奋,那么我们就有理由推断,必定还有更多的珍妮弗·安妮斯顿神经元,因为在数十亿个神经元中找到一个,而且是唯一的特定神经元的概率几乎为零。此外,如果只有一个神经元负责处理与珍妮弗·安妮斯顿有关的全部信息,那么万一这个神经元因疾病或意外而受到损坏,有关珍妮弗·安妮斯顿的全部记忆岂不荡然无存,这怎么可能?
 
    对于“祖母细胞”假说,另一种不太极端的解释是,任意一个概念都有若干神经元与之对应。这种解释可能是合理的,但很难证明,甚至不可能证明。因为我们不可能将所有的概念都尝试一遍,从而证明某个神经元只对某一个概念(例如珍妮弗·安妮斯顿)放电。事实上,相反的例子却很多,我们经常会发现一些神经元,它们可以对不止一个概念放电。因此,如果在某次实验中发现一个神经元只对一个人放电,那我们也无法排除它可能还会对其他刺激放电,只不过我们在实验中并没有使用这种刺激罢了。
 
    例如,在找到“珍妮弗·安妮斯顿神经元”的第二天,我们进行了重复实验。这次实验中,我们使用了很多与她有关的图片,结果发现“珍妮弗·安妮斯顿神经元”还会对丽莎·库卓(Lisa Kudrow,与珍妮弗·安妮斯顿一起出演过电视剧《老友记》,两人都凭此而成名)放电;对天行者卢克有反应的那个神经元,也会对尤达(Yoda,电影《星球大战》中的角色,与天行者卢克一样也是一名绝地武士)放电;另外有一个神经元对两个篮球运动员兴奋;还有一个神经元对本文作者之一的奎恩·奎罗格及其合作者兴奋,这些人都与加利福尼亚大学洛杉矶分校那位自愿参加实验的病人有过接触,凡此种种。尽管如此,人们仍可以认为,这些神经元就是“祖母细胞”,只不过能让它们兴奋放电的对象不止一个,比如,电视剧《老友记》中两个金发碧眼的女影星、电影《星球大战》中的绝地武士们、篮球运动员们,或者与病人一起做实验的科学家们。因此,这些细胞是不是“祖母细胞”的问题,似乎就变成了是否对定义进行扩展的一个语义问题。
 
    暂且撇开语义方面的讨论,我们先来关注这些“珍妮弗·安妮斯顿神经元”的一些关键特征。首先,我们发现,这类神经元的兴奋非常有选择性,每一种都只对展示给病人的一小部分社会名流、政客、亲戚或地标建筑的图片兴奋。其次,这类神经元中的每一种都可以对特定人物或场所的多种表达形式兴奋,而与图片的具体视觉特征无关。事实上,一个神经元可以对同一个人的各种图片,甚至他的名字(无论是书写的,还是朗读的),产生类似的兴奋反应。就好像这个神经元以它的放电模式告诉我们,“我认识珍妮弗·安妮斯顿这个人,不管你用什么形式进行展示:她穿红衣服的图片、她的轮廓、书写出来的她的名字,甚至大声喊出她的名字都可以”。这种神经元似乎是对确定的概念放电——不管这一概念是通过哪种形式来表达。因此,将这些神经元改称为“概念细胞”(concept cells),而不是“祖母细胞”,可能更恰当。“概念细胞”有时也会对多个概念兴奋,这种情况下,多个概念往往是密切关联的。

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