《连接组》详细阅读笔记

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2018-02-14 看过
《连接组:造就独一无二的你》
作者: [美] 承现峻

序:最后的前沿

人的大脑组成不仅仅被基因组决定,更被连接组决定。基因组代表先天因素,从父母遗传而来无法轻易改变;而连接组象征后天因素,是经过无数外界信息塑造后的大脑。

引言

一个连接组不是一条连接,而是所有的连接。

心灵和思维不同,正是因为连接组之不同。

人的基因组是固定的(暂且不论表观遗传,可参看推荐表观遗传学著作《遗传的革命》),但大脑神经的连接组在一生中始终改变(可参看尼古拉斯·卡尔《浅薄》):

重新赋权:神经元调整彼此之间连接强弱的比重
重新连接:创造新的突触或者去掉突触
重新连线:改变原来连线的结构
重新生成:新神经元不断产生,旧神经元不断死去,使得连接重建
连接组理论不是宿命论,认为连接组可以由我们的行为和思维来塑造,我们无时无刻不在影响大脑的连接结构。

总之:你不只是你的基因组,你是你的连接组。

但还有种说法:你是你所有神经元的活动。它更强调的是动态的自我,认为仅仅研究一个静态(死去后的)大脑其神经元的连接模式是不够的。不过这样的说法并不正确,以为人既有动态的、时刻在变的自我,也有静态的自我——稳定的个性,这就好比流动的河水与稳定的河床的关系,谁也离不开谁。

但连接组太复杂了,人大脑神经的连接数量是人基因组的100万倍。

第一部分 尺寸重要吗?

一 从天才到疯子

早期颅相学认为大脑越大的人智商越高,但这只是统计学上的关系,并且大脑尺寸与智商高低的关系较弱,无法适用到个体上。

但它提出了一个有益的假说:心智的差异,是由于大脑的差异。

后来的颅相学将大脑分区定位,每个皮层区域对应不同的心智功能,并且有很多病例可以应证。甚至大脑两个半球虽然如此相似,但它们的功能是截然不同的。

这表明心志功能确实是模块化的。

后期颅相学认为皮层不同区域的尺寸大小可以对应某一心智功能的高低,但依然和整体尺寸一样,相关性太弱,无法运用到个体上。

但研究发现,自闭症患儿的大脑会更大,精神分裂者患者的大脑会更小。

二 边界争端

心智锻炼会使皮层组织增大,就像身体锻炼会使肌肉发达一样,这说明后天经历确实会引起大脑结构的改变,但相关性依然不强。

通过对脑损伤病人(中风患者的恢复;切除小儿癫痫患者的半球,他们在术后都恢复得很好)的跟踪研究,发现受伤的大脑会重新规划功能区域。这说明实现某些功能的皮层受伤或切除后,其他皮层替代了受损的区域。

幻肢现象正是由于皮层的重新规划而导致的:如某一肢体被截掉,它在皮层上的领地就会失去功能,而其他领地会入侵它的地盘。比如小臂被截掉,脸和大臂的领地会入侵,从而刺激人的脸和大臂也能引起小臂的感觉。

不过普通学习引起大脑的重新规划的理论,其相关性依然较弱。

心智水平几乎不依赖于神经元的数量,而更依赖于它们的组织结构。

心智功能广泛地分布在整个皮层上,所有皮层都有潜力去负责其他功能。这就像是一个工厂,每个工人有自己的专门分工,但他们却有同样的潜力。

fMRI(功能性磁共振成像)测量的是基于血样水平的信号,图像的“亮区”表明这个地方在一项任务中比在另一项任务中使用更多,而图像的其他地方并不处于闲置状态,因为每幅图像是由两幅相似图像相减得到的,说明其他地方活跃的情况类似,而只有这个地方活跃的情况发生改变。

第二部分 连接主义

三 神经元不孤单

每个神经元都会同时与其他上千个神经元连接,形成紧密的网络。

神经元接触的地方叫做突触,但两个神经元其实没有真正接触对方。发送方的神经元会分泌神经递质(已发现一百多种神经递质)给接收方神经元,神经递质就像是钥匙,有特定的分子结构,而接收方神经元的受体则有相应的锁孔,如果吻合就能激活。

毒品会改变人的心智,正是因为毒品的分子结构有可能与神经递质很像。

这种化学信号的速度很慢,但它们要穿过的距离极短——就是突触间的那条窄缝。

除了神经元之间的化学信号之外,大脑里还有电信号,它们在神经元内部传递。

神经元有两种神经突:树突又短又粗,有很多分支;轴突只有一条,又长又细。树突是突触的接收端,而轴突是发送端。

在一个神经元内部,电信号从树突流向胞体,进而流向轴突。化学信号则从这个神经元的轴突跨到下一个神经元(外部)的树突。以此类推。突触就是把一个电信号转换成化学信号,然后再把它转换回电信号。

电信号不能直接传到下一个神经元,它要被转换成化学信号才能达到下一个神经元。

但几乎所有的突触都是很弱的,神经递质的分泌不足以达到激发一个电锋所需的水平,但多个突触聚合起来就能够做到。这就像是投票,当总票数超过一个阈值,轴突就会产生一个电锋。

强突触会造成大电流,弱突触造成小电流,一个突触的强度意味着它在神经元决策过程中的投票权重。

还有兴奋性突触和抑制性突触,抑制性突触会使电流流出神经元,阻止产生电锋,甚至有些抑制性突触非常强,能一票否决。这种“赞同”和“反对”的机制也参与了神经元决策的权重。

镇静剂的原理就是增强抑制性突触的作用。

但没有电锋产生是很关键的,是大脑与只能换的必要要素,不会使得你的身体随意触发各种动作。有两种机制可以阻止神经元胡乱产生电锋:提高出锋阈值和增加突触抑制。

简单零件的组合可以变得很聪明,因此尽管神经元如此简单,但它组成的大脑却如此高级。

但举个例子,看到蛇的时候,你的腿做出反应而不是唾液,但轴突没有任何路由,而是把电锋发送给所有的突触,它们怎么做到只让你的腿动而不是其他地方动呢?电锋只是一个脉冲,没有携带要达到的地址,这是个不解之谜。

四 一路向下,全是神经元

心灵的整体性是幻象,自我的概念应该总结为“我是群体”。

一个神经元可以对应一种抽象的想法,一个神经元群体可以定义一个活动模式,而可能的模式数则是巨大的。因此如果能观察到你所有的神经元活动,就能解码出你的所思所想。

一个神经元(整体的)检测某个想法的过程,是把这个想法视作一系列局部的组合。局部可以不断分解,最终会得到无法再分解的刺激——一些光点,这由最下层的神经元检测,沿着层级越向上,神经元依次检测越复杂的刺激。

检测整体的神经元,从检测器局部的神经元那里接受兴奋性突触;检测局部的神经元,向检测其整体的神经元那里输送兴奋性突触。

这就是连接主意:既包括输入,也包括输出。就像是科学新想法是建立在别人的旧想法上,但科学活动还包括让其他人接受这个新想法。

神经元会形成细胞结集,里面的很多神经元彼此有连接。而细胞结集之间也会通过共通的神经元有连接,这叫做重叠。这种连接造成了联想能力,但重叠过多会造成回忆混乱,因此神经元设有高激活阈值,只有得到足够的“赞成”才能激活,但这也造成了会议的难度加大。

对于信息过载造成的记忆障碍可以如此解释:

1,每个神经元可以对应一种抽象想法,

2,它们彼此连结成胞体,当一个神经元激活时会同时激活胞体内的其他神经元,形成联想

3,胞体之间也由某一或某些神经元互相连结,构成彼此连结的胞群,

4,为了避免多个胞群被同时激活(造成记忆混乱),神经元记忆系统设有激活阈值。

但信息过载会造成胞群之间连接太紧,没有合适的阈值可以激活某一个胞群形成准确的记忆。而激活过多胞群会导致记忆混乱,无法激活胞群则导致回忆困难。

总而言之,即使人有一千亿个神经元,但储存太多无用信息依然会造成记忆障碍。在这个信息过载的时代,如果渴望什么都知道,那么结果可能是什么都不知道。所以,该适当地放弃某些东西。

除了细胞结集还有突触链的结构,不同的是,细胞结集中神经活动是双向的,但突触链的神经活动有特定方向。

这些生理上的连接正是心理上的联想的物质基础。

五 记忆的形成

神经连接能够稳定地在很长一段时间内保持形状,但又具有足够的可塑性以供改变。

突触可以增强,也可以减弱,这叫重新赋权。突触本身也可以新生或消失,这叫重新连接。这两种类型的连接组变化贯穿我们的整个生命,记忆是通过新生突触来存储的。

如果两个神经元反复地同时被激活,它们之间的连接就会双方向地增强。
如果两个神经元反复地相继被激活,从先被激活的那个神经元通向后被激活的那个神经元的连接就会但方向地增强。
当一个神经元反复解惑,而另一个神经元却不激活时,它们之间的连接将被削弱。当某些突触增强,并消耗更多资源时,其他突触因得不到资源而减弱——出于经济的目的,大脑必须消灭那些无用的突触。
突触的形成是一个随机过程,神经达尔文理论可以说明:

1,大脑内随机创建新生突触

2,根据上述三条激活的原则(适者生存),它们最终形成细胞结集或突触链

因此突触的创建虽然看起来是智慧的,却实际上是随机形成的,只是那些不被需要的都自然淘汰了。也就是说在发育的早期,连接是无选择性的,突触的消灭过程改善了连接,使连接更加具有针对性。

——一个新的突触只有在对记忆有用的情况下才能存活,这就是神经达尔文主义。

持续的电锋是短期记忆层——好比内存,而持久的连接则是长期记忆层——好比硬盘。硬盘的优势在于持久性,而内存的信息则是可变的、可以非常高速地修改。

因此,神经活动假使停止,连接组的长期记忆不会受损,但最近的信息却会丢失。

一个由重新赋权(对应短期记忆)来存储的记忆,可能会被进一步固化,改由连接(长期记忆)来存储。

(这似乎能来解释为什么老年痴呆患者,能记起久远的事,却记不得最近发生的事,因为被固化的连接是持久的,而他们的“内存”出现了问题)

第三部分 先天与后天

六 基因森林

基因强力地影响着生理特征与智力,甚至性格。

大脑的发育分四个步骤:神经元形成,移动到合适的位置,伸展出分支,建立连接。

虽然连接组的最终的整体形态是由基因决定的,但具体的分支模式将在很大程度上是随机的,而且受到环境条件的影响,也即经历开始参与塑造连接组。

大脑在发育过程中会破坏连接,即某些分支被修剪掉。这很重要,因为“创造行为”包含创造和毁掉两部分,比如写文章时,会先把所有想法全部写出来,而写作和编辑过程是在删减。完美并不是指没有什么可加的,而是没有什么能减的。

突触被消灭的主要驱动力可能就是经历,即突触形成是基本随机的,而消灭却是由经历导致的。大脑的关键在于组织结构,而不是突触数量。

七 更多潜力

一个区域的功能在很大程度上取决于它与其他区域之间的连线,改变连线就可以改变功能。这也说明一个皮层脑区具有学习任何功能的潜力。

大脑是朝着经济性的方向进化的,因此各个区域之间的连线是有选择性的,如果所有区域都和所有区域连线,大脑不仅体积巨大,也会消耗更多能量。

我们并不是简单地生来就有某种能力,我们还必须从经历中学习,但这个过程是有黄金期的,一旦过了黄金期,大脑就不再那么可塑了。这种黄金期往往在人的幼年,而到成年时学习能力会下降,这是因为成年大脑很难发生神经元连接组的重新连线。

不过也有实验表明,成年后大脑神经短距离的重新生长是有可能的。对于黄金期的真相可能在二者之间:成年人无法重新连线并不正确,但达不到婴儿大脑的灵活性。

理论上,可以通过人工方法,操纵某些分子来促进四个重新:重新赋权、重新连接、重新连线和重新生成。但它还受到经历的引导,因此更好的控制方法是在进行分子操作的同时配合适当的强化训练。

但连接组变化的四个“重新”真的与心智的变化有关吗?

第四部分 连接组学

八 眼见为实

科学史学家总是把荣耀赐予那些思想家及其突破性的概念,很少有人会为科学仪器的制造者欢呼,但他们的影响其实更为深远.

为了看到连接组,经历了以下几个方法:

给大脑组织染色
电子显微镜,利用电子而不是光以产生更锐利的图像
把大脑组织切成很多片,组合成三维图形
切片利用了钻石刀,另外会把大脑组织嵌入环氧树脂,使它变成一个硬塑料块。

为了提升效率,人们想到了两个点子:

在切割样品的同时对样品的截面成像,而不是对切下来的薄片成像,即把切片和成像集成到一起。
切下的脑片立即被移动的带子粘住,然后自动收集。
还有一个设想是:扫描完一层后利用离子束将最上面几纳米的一层蒸发掉。

1立方毫米的大脑组织就能得到1PB的图像数据(10亿张照片),整个鼠脑的数据量比此大一千倍,而人脑比鼠脑再大一千倍。

九 沿路追踪

为了追踪一条轴突或树突的轨迹必须知道“连线”的走向,即分析图像(对连续切片中神经元断面进行追踪),但分析图像比得到图像困难得多,这催生了许多自动化技术的进步。

人们分析秀丽隐杆线虫的图像花了十多年,而手工重建1立方毫米的皮层需要一百万人年的工作量,因此要实现图像分析的自动化。

但实际上,计算机并不擅长任何视觉工作,计算机的缺陷在于:

不能巧妙地利用背景信息来进行物体边缘检测
对于突触的识别还无法精准(就像计算机还无法精准识别人脸一样)
人类“看”的能力太强了,以至于人们没意识到是绝对机器来说多么困难。

但“机器学习”可能成为突破,不过在可预见的未来,图形粉笔不可能达到100%自动化。

除了人工智能外,人们还提出了智能增强(IA)的理论,它甚至利用机器使人更聪明。人工智能应该是智能增强系统的一部分,它处理掉容易的决策,然后把困难的部分留给人。通过人与计算机的合作而更高效地完成工作。

寻找连接组的主要限制就是计算速度,即连接组学得依靠计算机工业,但微处理器上晶体管数量的增幅在放缓,摩尔定律可能即将失效。

十 划分

除了把大脑划分成不同的区域外,我们还需要把它划分成不同的神经类型,因为每一种类型的神经具有特定的、不同的功能。

但在每个区域内, 不同类型的神经元是混杂在一起的。因此,我们理想的划分大脑的方法,是划分它的连接组。

划分连接组是根据神经元的连接特性,如果两个神经元连接到相似的或类似的目标,那么它们就被划分到同一类。因此划分一个连接组,不但能告诉我们神经元类型,还能告诉我们它们是如何连接的。

——一个神经元的功能主要取决于它与其他神经元的连接。连接是直接与功能相关的,而形状和位置却只是间接的。

一个区域的损伤会损害相应的功能,而区域之间连接的损伤会损害多个区域合作的复杂功能。

大多数心智功能都需要多个皮层脑区的合作,而大多数皮层脑区也会参与多种心智功能。

十一 破译

神经科学家们推断,根据所有神经元的电锋,就能得到所有的感觉和想法。我们也相信可以从连接组中读取记忆,首先要做的是了解连接组如何编码信息,随后才能解码。

记忆可以分为陈述式记忆(可以表达出的信息)和非陈述式记忆(内隐的,比如运动技能和习惯)。而动物的内隐式记忆的能力极强,试着从动物的连接组中读取这些记忆会是个不错的开始。

科学家们研究了珍珠鸟的鸣叫,这种鸟类负责其叫声的神经元发出的电锋的模式每次都完全相同。那么研究各个神经元发出电锋的次序,就可以读取对于叫声的记忆(内隐式)了。

但必须注意的是,我们提取的只是记忆过程中回放的活动模式(电锋次序),而不是记忆的内容。如果要读取记忆的内容,我们必须检查每条神经元到发声肌肉的通路,根据电锋来再建发声的具体内容。

这和预想中读取人类记忆的方式一样,因为每个神经元都可以与一个特定的动作或想法一一对应起来,那么在人类描述其经历的同时测量电锋活动就可以记录每个神经元与现实世界的联系,从而将记忆与现实意义结合起来。

十二 对比

尽管同卵双胞胎会受到表观遗传的影响而使得他们的DNA序列发生微小变化,但并不能未能全解释后天的心智差异,而连接主义者看来,这是因为他们的连接组不同。

连接组的不同会否导致“个性”不同呢?但研究连接组难度太大,我们可以研究简化的连接组,因为它们能编码一些比个体记忆更一般化的心智属性,比如性格、数学能力乃至自闭症。

研究简化的连接组即是研究大脑的白质。大脑外层的灰质由神经元的各个部分混合组成,而白质则只包含轴突,即白质全是“连线”,它们相对更宽、更少分支,而且极长。

另外轴突在离开灰质后会被髓磷脂包围,叫做“髓鞘化”,这样的话白质中髓鞘化的轴突就比灰质中没有髓鞘化的轴突粗很多,用光学显微镜就可以观察(较粗的切片和较低分辨率的图像),追中白质中的“连线”足以解出区域连接组。

再另外,白质内的轴突会捆绑起来形成更粗的“纤维束”,因此人们可以用扩散磁共振成像来追踪。不过这些方法都有局限性。

我们需要大量关于神经连接的准确而完整的信息,再从数据中寻找规律和提出假设。

十三 改变

许多治疗精神障碍的手段(手术或药物)都有严重的副作用。而根据精神障碍是由连接病理导致的,正确的疗法就是建立正常的连接模式,且大脑天然地会根据基因和一些分子(它们可以作为药靶)引导四个重新,来修复连接组,因此改变大脑的最好方法,就是帮助它自己发生改变——合适的药物加上康复训练。

我们首先考虑的是预防,即将神经元的损伤降至最低,缓解它们的死亡,以及尽早做出诊断。

第二个是修复它,可以通过两个方法:

受损本身会激活成年人大脑的再生过程,“室下区”产生神经母细胞,并迁移往受损的区域,研究者们正开发人工方法去促进整个过程。
直接把新的神经元移植到受损的区域,即人工培养神经元。比如干细胞分化(体细胞也可以被逆转成干细胞,获得全能性,在推荐表观遗传学著作《遗传的革命》这本书里有详细描述)。
无论是自然产生,还是人工移植,都要想办法促使新的神经元融入连接组。

人类文明的发展,在追求三种控制:世界(原子),肉体(基因组),心灵(连接组)。

第五部分 超级人类

十四 冷冻还是腌制?

亚利桑那州的阿尔科生命延续基金会通过液态氮将遗体无限制地保存在零下196摄氏度(保留躯体20万美元,只保留脑袋8万美元),以期待未来科技将他们重新活化。

这种人体冷冻术显然意味着人类逐渐接受机械论,但至今人们无法证明身体和大脑都是机器。

20世纪70年代,英美开始研究对死亡的判定,英国认为脑干死亡即是死亡,而美国则加了新的标准:整个大脑死亡,包括脑干。

脑干对呼吸和意识起着关键作用,如果没有脑干患者无法恢复意识。

不过也许人的记忆、个性和智力仍然完好地保存在端脑,如果给死亡的脑干注入新神经元,使其修复损伤,患者有可能重新恢复意识。

本书中作者对死亡的本质定义是:死亡就是连接组的解构。它的死亡意味着真正不可逆转的失能。它的死亡只与突触和“连线”的完整性有关。

阿尔科会员们冷冻的大脑能否活化,关键在于其连接组是否未损坏。现在看来,死亡后大脑缺氧和冷冻下,突触依然完好(但突触强度的信息恐怕难以恢复),但轴突和树突难以判断。

另一种保存大脑或身体的方法叫做生物塑化,目的是保持细胞内所有细节都不变(包括单个突出的结构)。其步骤是:

将固化剂(比如甲醛)送到每个细胞,强化后使细胞结构不会解体。
用乙醇替换出大脑的水分,再用环氧树脂替换出乙醇,然后放入烤箱使其变硬。
生物塑化不必像冷冻术那样持续供给液氮,但目前只能用于很小块的大脑,从未有人成功保存整个大脑,并保持连接组完整。

塑化的大脑如何恢复?有人认为可以在分析切片后解出连接组,并在计算机内模拟本人。

十五 另存为……

有些计算机迷们希望完全抛弃肉体,让思维与计算机融为一体,以计算机模拟的形式生存。

随着计算机游戏的发展,已经证明了计算机可以模拟物理世界,为什么不能模拟思维呢?

这就是思维上传,我们甚至可以靠备份而永生。但目前只有一种不太靠谱的假设方法:模拟你的大脑神经网络的电信号,但这需要先解出你的连接组(或许必须先损坏你的大脑)。

做这种“桶中人”的全脑模拟,模拟输入和输出相对简单,因为大脑和外部世界的连接数量远远少于大脑内部,大脑中只有极少数的神经元在与外部世界对话,其余的都是互相对话。

而如果无法区分现实和模拟,那么上传就是成功的。有许多科学家甚至认为我们的整个宇宙都是一套模拟程序。

不过也许上传后的你只是一具僵尸,没有主观感受(涉及意识学领域的难问题,可参见对话意识 (豆瓣))。甚至在现实中我也可以说你是僵尸,因为没有人能直接感受到他人的感受。

不过作者认为大脑模拟如果足够逼真,那就是有意识的。问题在于究竟能够做到多逼真?

真正的神经元有很多复杂的地方,是简单的模型无法体现的,一个神经元本身,就是一个小世界。每个神经元的行为都是独特的,因为它们具有不同的离子通道配置。我们怎么模拟无数种神经元呢?

不过我们可以根据神经元的位置和形状,将它们归于若干类型,而同类型的神经元的离子通道有着相同的分布,因此神经元的多样性其实是有限的。同一类型的神经元都适用于同一个模型,给每种神经元类型都建模之后,就可以开始模拟大脑了。

但是我们目前还没有解出过皮层的连接组,所以不知道如何连接这些神经元模型。

大脑模拟还应该包含一个非常重要的连接组特性:改变。即通过重新赋权存储新的记忆或学习新的技能。而重新连接、重新连线和重新生成也足够重要。

不过神经元的有些交互是不受突触限制的,比如神经递质分子可能会从突触逸出扩散到远处的神经元。这样我们要实现模拟,必须针对大脑中所有的原子。但这会是天文数字的计算量。

在过去几个世纪里,科学动摇了我们对灵魂的信仰,物理学家认为人是一堆原子(唯物论),生物学家和神经科学家又说人是一台机器(机械论)。然而计算机科学家和思维上传者们相信人是一堆信息(你不是你的原子,而是这些原子组成的模式,你也不是你的神经元,而是这些神经元连接的模式。模式属于抽象的信息世界,而不是实体的物质世界。),信息就是新灵魂,因此“自我”是基于一种非物质的存在。但灵魂被认为是不朽的,信息却可能永久丢失。因此不朽就是试图保存信息,有人通过生育保存他们的DNA信息,有人通过写书保存自己的(谜因)信息,而人体冷冻和思维上传的目的都是把大脑中的信息保存下来。

这种趋势可被称为超人类主义,主张不必坐等缓慢的达尔文式进化,而通过技术改造自己的身体和大脑,甚至转移到计算机中生活。这实际上是启蒙运动思想的一个必然而合理的延展,即对人类理性的赞美。

然而这种科学化的世界观会让人丧失意义感,因为宇宙越是显得被理解了,那么就越是显得没有意义。不过随着哥德尔证明数学是不完备的,量子物理学发现有些事情是完全随机的,理性受到了挫败。超人类主义已经不再相信理性能够回答所有的问题,但他们依然相信理性的力量,试图源源不断地创造出更先进的科技。

圣经说,上帝按自己的形象创造了人类。费尔巴哈说,人类按自己的形象创造了上帝。超人类主义者说,人类终将把自己改造成为上帝。
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