摘要：至此揭開計算神經(jīng)科學(xué)的大幕。這算是數(shù)學(xué)生物學(xué)，計算神經(jīng)科學(xué)和人工智能的共同起點。大腦太擅長模式識別，你看了什么是因為你想要看到什么，那個什么早在你的大腦預(yù)先存在。

我想大家看到這個題目已經(jīng)被嚇到了。什么？ 計算神經(jīng)科學(xué)？ 神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)夠冷門嚇人的了, 還計算神經(jīng)科學(xué)？究竟是什么？ 是不是除geek外并沒什么卵用？ 聽鐵哥給您道來。?

先說計算神經(jīng)科學(xué)是什么，簡而言之，計算神經(jīng)科學(xué)是把大腦看成一個信息處理的器件，用數(shù)學(xué)物理計算機等綜合方法研究生物的大腦是怎么工作的，例如學(xué)習(xí)，記憶，情感，意識等等。它和你有什么關(guān)系？

1. 心理學(xué)的啟示

我先改變一下我們討論的題目，你需不需要心理學(xué)？

我想瞬間大家會達(dá)到共識。看看網(wǎng)上轉(zhuǎn)載的東西有多少和心理有關(guān)，從星座分析到心理測試題。我們?nèi)粘Ｉ罾飪?nèi)心的迷惘實在太多。沒錢的人煩惱有錢的人依然煩惱，我們快被這個人體更為耗費能量的腦袋所制造的問題折磨瘋了，卻不知道它到底想要干什么，于是我們求助于心理學(xué)。

但是心理學(xué)是否解決了我們對自身靈魂的焦慮呢？ 只要看看網(wǎng)上有多少人迷戀于星座分析就知道了。我們能夠登上火星，我們對自己性格的了解卻還需要靠翻越黃歷。心理學(xué)家像極了古希臘的哲學(xué)，它讓我們看到了問題，卻更加暴露了我們的迷茫和解決問題的無力，也因此給了許多披著科學(xué)外衣實際等同占星術(shù)的“流行心理學(xué)"以溫床.

網(wǎng)上流行過一個著名的心理測試題目，號稱旋轉(zhuǎn)舞女實驗。我們看到圖片里一個裸女在跳舞， 但是有的人看到她向逆時針轉(zhuǎn)有的人看到她順時針轉(zhuǎn)。據(jù)說看到順時針轉(zhuǎn)的人是右腦型情感發(fā)達(dá)，看到逆時針轉(zhuǎn)的是左腦型邏輯發(fā)達(dá)，而看到向兩邊轉(zhuǎn)的就是天才（為什么不說是精神分裂？）。

你會相信他嗎? 至少我身邊很多人是信以為真的，總比星座看起來合理多了。

其實這個是純屬扯談。 第一，這是個經(jīng)典的視覺錯覺實驗（perception bistability），沒有證據(jù)表明它和左右腦有聯(lián)系。第二，流行心理學(xué)里籠統(tǒng)的左右腦分工，也缺乏足夠證據(jù)。我目前知道的是人在做大多數(shù)任務(wù)的時候都要同時用到左右腦。這個東西不僅網(wǎng)上火了幾年，居然被當(dāng)成許多老師教育孩子的材料。

*左右腦在完成任務(wù)時候當(dāng)然有分別，但是方式非常復(fù)雜。

圖：旋轉(zhuǎn)舞女，你看她是順時針還是逆時針轉(zhuǎn)的。

動畫請見：The spinning dancer http://en.wikipedia.org/wiki/Spinning_Dancer

為什么這么冠冕堂皇的謊言會能大行其道搞懵一批又一批人？因為我們對我們自己的大腦所知太少，一個說法出來，我們既沒法證實它也沒法證偽它，好比一個正確與錯誤難分界限的灰色地帶，而由于其中問題對人生活的重要性，只要騙子揮揮手就能引來一批又一批的受眾，需要的人自然可以在其中找到精神安慰。

舞女的例子其實是眾多神奇的心理學(xué)試驗中（被濫用了）的一個，它為我們揭示了大腦認(rèn)知過程包含的很多不為人知的側(cè)面，雖然每天發(fā)生在我們生活中我們卻無法覺察。

那么為什么我們會看到圖中的舞女在向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn)？單純的傳統(tǒng)心理學(xué)已經(jīng)很難回答這個問題，因為他已經(jīng)開始涉及大腦處理信息的深層機制。至此揭開計算神經(jīng)科學(xué)的大幕。?

2. ?計算神經(jīng)科學(xué)的序幕- ?“會思考的機器” 和 “語言之上的語言”

探索大腦信息處理的先驅(qū)-Alan Turing

阿蘭圖靈完全可以進(jìn)入20世紀(jì)最偉大天才名錄， 我們今天驕傲的信息時代或是未來即將進(jìn)入的人工智能時代，都離不開他的杰出貢獻(xiàn)。然而這個遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其時代的人，最出的動機，卻是了解人類大腦運作的機制，他天才性的意識到生命過程本身可以被一連串?dāng)?shù)學(xué)運算表達(dá)，而如果一臺機器執(zhí)行相同的數(shù)學(xué)運算，則會表達(dá)同樣的性質(zhì)。 這算是數(shù)學(xué)生物學(xué)，計算神經(jīng)科學(xué)和人工智能的共同起點。而在這個過程里，也孕育了世界第一臺計算機。而他所設(shè)計的圖靈測試今天依然被作為檢驗機器是否真正學(xué)會人類思考方式的基準(zhǔn)。

圖靈設(shè)計的這個通過一連串?dāng)?shù)學(xué)運算來解決一般性問題的東西被稱作圖靈機。他告訴我們，如果需要一個機器通過“思考”解決問題， 那么它需要具有一些基本的性質(zhì)，比如具有輸入輸出，系統(tǒng)狀態(tài)（及其存儲器），和一連串基本的運算法則。 然后通過一連串把輸出記錄在系統(tǒng)狀態(tài)里傳遞給輸入的迭代過程生成結(jié)果。 ?

圖：圖靈機-- 簡單數(shù)學(xué)運算的巧妙組合原來可以解決如此復(fù)雜的問題- 這才是人類聰明大腦的杰作。

語言之上的語言

將認(rèn)知現(xiàn)象歸結(jié)于大腦深層信息處理規(guī)律的另一個偉大先驅(qū)是生成語法(Generative Grammar)的提出者Noam Chomsky，他認(rèn)為不同語言之間存在著相同的深層語法結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)先于語言而存在，是大腦信息處理的基礎(chǔ)，并且能夠利用類似計算機程序的符號化語言表達(dá)。 ?這一套“源語法”直指人類大腦處理信息的共同機理，這種機理簡單有效， 是大腦處理各種信息的共同原理。

對喬姆斯基提出的人腦基本信息處理機制的存在，成為計算神經(jīng)科學(xué)的存在的合法性基礎(chǔ)， 為我們指出了一條探索認(rèn)知規(guī)律的光明而艱難的道路。我們需要站在比生物學(xué)更高的視角，從造物者的角度思考大腦的設(shè)計原理。

圖：任何句子都包含先于內(nèi)容的特有形式，而我們先天具有學(xué)習(xí)理解程序的能力，這是我們學(xué)習(xí)任何語言的基礎(chǔ)。我們對于一個我們從沒有見過的句子立刻能夠理解，在于我們先驗的預(yù)設(shè)了這種程序。

3.大腦像臺超級計算機

我們再回到旋轉(zhuǎn)舞女的例子。裸女無論是順時針轉(zhuǎn)還是逆時針轉(zhuǎn)，都是你的幻覺。因為真實世界的裸女的旋轉(zhuǎn)是發(fā)生在三維空間，而這張電腦圖像是個二維圖，它描繪的是一個確定的左右振動（物理書里常見的單擺）。 二維圖所包含的信息量本來就不能重構(gòu)三維世界，之所以我們能夠感知到三維世界的轉(zhuǎn)動是因為大腦在做他最擅長的工作—-推斷和模式識別（inference and pattern recognition），大腦在把看到的現(xiàn)象歸類于它熟悉的現(xiàn)象的過程中添加了大量本來不存在的信息。 大腦太擅長模式識別（Pattern recognition），你看了什么是因為你想要看到什么，那個什么早在你的大腦預(yù)先存在。就想很多神經(jīng)科學(xué)家指出的，我們的大腦里有個自己的世界（internal world），我們錯以為它就是真實世界本身，其實它只與真實世界相切。它試圖通過計算，模擬真實世界。

首先我們基于日常生活的大量觀測形成了物體旋轉(zhuǎn)的概念以及它所有的兩個狀態(tài)-順時針和逆時針。 什么叫概念？ 概念=大腦對真實世界所做的模型（internal representation of external world）。好比剛出生的嬰兒沒有物體的概念（concept of object），他們無法理解在視覺范圍內(nèi)的某個東西的移動，旋轉(zhuǎn)，變化，消失其實是一個東西在運動過程中的不同形態(tài)，他們無法理解如果閉上眼睛物體的畫面消失，它們也依然存在。 嬰兒在大量的摸索中學(xué)了物體的概念，認(rèn)識到上述一切，在萬千變化中找到物體這個不變的東西。然后在大腦里做個模型把那些變化套在“物體”這個不變的概念里。

什么叫學(xué)習(xí)到一個概念？ 你要是學(xué)過計算機編程，就知道這其實類似于那些object， class 一類的東西。class其實是一個變量組合加上一些作用于他們之上的函數(shù)，是對真實事物建立的一個小模型。神經(jīng)系統(tǒng)就像一個超級計算機，把經(jīng)常一起出現(xiàn)的一些感官，比如各種視覺，聽覺，嗅覺信號綜合成一個變量組合。比如蘋果這個概念，就是一個概念。一個紅色的圓形的硬的物體，有香氣咬一口很甜。 變量組合=顏色+形狀+味覺+觸覺，咬一口很甜就是一個函數(shù)關(guān)系，給這個物體輸入一個動作=咬一口，返回一個結(jié)果=很甜。符合這類屬性的一大類東西都被大腦放進(jìn)蘋果這個籃子（class）里。

大腦的基本功能就是模式識別和分類決斷（Pattern recognition and classification ），根據(jù)已經(jīng)掌握的概念推斷一個東西是不是屬于其中。比如一個圓形的東西是不是一個蘋果還是一個皮球。這個對生物的生存特別重要，因為他要做決策，是蘋果還是皮球，決定了吃還是不吃，生存還是毀滅，這是一個問題。

回到舞女，真實世界的舞女順時針還是逆時針旋轉(zhuǎn)，投影到二維平面，都可能取得動畫里的效果，你認(rèn)定她的方向關(guān)鍵你大腦里當(dāng)時被激活的是逆時針還是順時針的模型，具體點是看對哪只腳在前和在后的判斷，圖像里的陰影沒有這個信息，它是你大腦添加的。你大腦在你不知不覺中添加了這個本來沒有的信息，然后你就看到她是順時針轉(zhuǎn)或者逆時針轉(zhuǎn)的。

圖：旋轉(zhuǎn)舞女的前后腳，被大腦添加的信息。

以上只是想說明，人腦的根本功能是計算，無論你喜不喜歡數(shù)學(xué)，你是情感豐富還是理智豐富，本質(zhì)都是計算。對大腦認(rèn)知的理解脫離不開數(shù)學(xué)模型，因為大腦就是靠著它對數(shù)學(xué)模型的天賦，模擬世界把握人生的。

圖：大腦的計算機比喻

3.人腦真的是計算機嗎？-作為生命科學(xué)的神經(jīng)科學(xué)

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那么基于計算機的概念逐步的定義大腦的功能，是不是就夠了呢？ 如果行的話，媲美人腦的計算機應(yīng)該早實現(xiàn)了。恰恰是，人腦不是計算機。因為，畢竟我們都見過被剖出的大腦，那是一團血肉，是由水和蛋白質(zhì)組成的，而電子管卻是沙子里打磨的。?

當(dāng)然，這是一個玩笑。從數(shù)學(xué)的角度說，這種區(qū)別只要體現(xiàn)在大腦是由大量具有隨機性的單元組成的，這些單元通過自由的演化形成的智能組織，與人類設(shè)計的幾乎不允許隨機性存在的計算機具有天壤之別。如果給晶體管哪怕稍微一點類似的隨機性，它也就一點用沒有了。而相反，如果取消生物大腦的隨機性，它就不能工作了。 因此，生物系統(tǒng)這種特殊的容納隨機性的能力， 給我們提出了巨大的理論挑戰(zhàn)。

計算神經(jīng)科學(xué)，就是這樣一門超級跨學(xué)科的新興學(xué)科，它幾乎綜合了信息科學(xué)，物理學(xué)， 數(shù)學(xué)，生物學(xué)，認(rèn)知心理學(xué)等眾多領(lǐng)域的成果。 詳見下篇。