文/田興（上海紐約大學(xué)神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)助理教授） 編輯/甄知

認(rèn)識(shí)人類自身一直是我們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，最重要的一環(huán)就是研究控制一切器官的大腦。先問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題：我們可以給自己撓癢癢，逗自己笑嗎？沒(méi)試過(guò)的朋友可以自己先試試。答案是大多數(shù)人都是不能撓自己癢癢的，如果能的話，建議去看一下神經(jīng)科醫(yī)生。

那么，為什么我們不能撓自己癢癢，逗笑自己呢？這與大腦的某種機(jī)制有關(guān)。

◆ 大腦是什么？

大腦其實(shí)就是我們顱骨里3斤左右的東西，其中神經(jīng)細(xì)胞即神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。一個(gè)人共有1000億左右的神經(jīng)元。根據(jù)神經(jīng)元的類型和組織方式不同，大腦可以分成不同的腦區(qū)，每個(gè)腦區(qū)負(fù)責(zé)不同的功能。

我們把大腦比作一個(gè)硬件。眾所周知，硬件必須通過(guò)軟件來(lái)完成任務(wù)。比如你想玩游戲，就得在電腦上裝軟件；你想編輯圖片，就需要安裝編輯軟件。我們覺(jué)得大腦里可能也有這么一種“軟件”，支持很多算法來(lái)對(duì)接大腦這個(gè)硬件。

◆ 我們?nèi)绾蝸?lái)驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)呢？

比較常見(jiàn)的一種方法是核磁共振，通過(guò)測(cè)量大腦釋放某些物質(zhì)的能量來(lái)為大腦照相。但它的缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)，兩秒才能照一張相，沒(méi)有辦法跟上人類思維的速度。另一種無(wú)創(chuàng)方法，是用電生理技術(shù)照腦電圖和腦磁圖，可以每一毫秒照一張，實(shí)時(shí)監(jiān)控大腦的動(dòng)態(tài)。我們就用這兩種無(wú)創(chuàng)的方法來(lái)回答大腦是如何支持我們行為的。

具體的算法有很多，我就介紹三種最基本的算法。

1.輸出越多，傳導(dǎo)效率越低

我們做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。先在紙上寫一個(gè)字，比如“然”字，然后你盯著這個(gè)字一直看，使勁看，嘴里念叨：“然然然然……”

你覺(jué)得有什么奇怪的事情發(fā)生嗎？是不是這個(gè)字變得奇怪了？你覺(jué)得突然不認(rèn)識(shí)這個(gè)字了。怎么“然”字右上角的犬字突然出現(xiàn)了？

大家可能都有過(guò)這個(gè)經(jīng)歷，我自己就經(jīng)常這樣。那時(shí)候，我就說(shuō)是不是我癡呆了，突然不認(rèn)識(shí)這個(gè)字了？

其實(shí)，當(dāng)你看“然”字的時(shí)候，你的視覺(jué)信號(hào)會(huì)分析它的字形，然后將這些信號(hào)傳導(dǎo)到腦區(qū)，另一個(gè)腦區(qū)會(huì)分析這個(gè)字義?？扇绻憧淳昧?，信息的傳導(dǎo)效率會(huì)降低。我們可以用數(shù)學(xué)模型來(lái)解釋這件事。

大腦中的神經(jīng)元是通過(guò)化學(xué)信號(hào)來(lái)傳遞電信號(hào)的。如果有信息輸入進(jìn)來(lái)，大腦通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)把電信號(hào)傳到下一個(gè)神經(jīng)元。下一個(gè)神經(jīng)元的輸出就是最下面公式的“O”。

可以看到，輸出其實(shí)是一個(gè)神經(jīng)遞質(zhì)含量的函數(shù)。而神經(jīng)遞質(zhì)其實(shí)就是它的傳導(dǎo)效率。從第二個(gè)公式看，神經(jīng)遞質(zhì)的傳導(dǎo)效率又跟輸出有關(guān)。也就是說(shuō)，你輸出越來(lái)越多，你的神經(jīng)遞質(zhì)就會(huì)越來(lái)越少。

這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的關(guān)系。舉個(gè)例子，你讀“鴨子、鴨子、鵝”，你讀了兩遍鴨子，在視覺(jué)區(qū)和字形區(qū)，神經(jīng)遞質(zhì)就會(huì)減少。在你說(shuō)第二次鴨子的時(shí)候，對(duì)鳥類這個(gè)語(yǔ)義的激活程度已經(jīng)很低了。但是，接著你念了“鵝”，又再次激活了鳥的含義。

我們進(jìn)一步用神經(jīng)科學(xué)的方法來(lái)研究。我們會(huì)讓你看一個(gè)字，同時(shí)記錄你的腦電圖。我們發(fā)現(xiàn)在400毫秒之內(nèi)，你會(huì)發(fā)生一系列大腦的處理活動(dòng)。

比如，大腦可以在100毫秒、200毫秒和400毫秒的時(shí)間內(nèi)，依次進(jìn)行初級(jí)的視覺(jué)處理、字形處理和字義處理。

我們用動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)分析方法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你盯著一個(gè)字看久了，視覺(jué)字形皮層和字義皮層之間確實(shí)存在傳導(dǎo)效率降低的現(xiàn)象。

你認(rèn)為這是短時(shí)閱讀障礙，但其實(shí)是大腦很重要的一個(gè)功能。

為什么重要呢？假如你是一個(gè)原始人，在大草原上聽見(jiàn)貓叫。你發(fā)現(xiàn)聽過(guò)很多次貓叫，你也不會(huì)死，說(shuō)明這個(gè)貓對(duì)你來(lái)說(shuō)不重要。但是如果你突然聽見(jiàn)老虎叫，你會(huì)立刻反應(yīng)“哎，快跑！”所以，新穎性探測(cè)對(duì)人類是很重要的。神經(jīng)之間的傳導(dǎo)過(guò)程是會(huì)影響我們行為的。

2.不同信息源加權(quán)平均形成新的表征

我們的信息不一定總來(lái)自一個(gè)模態(tài)。如果有兩個(gè)或者多個(gè)信息源輸入的話，我們的大腦會(huì)怎么處理這些信息？

我們錄制過(guò)一個(gè)視頻，是我的學(xué)生在說(shuō)一個(gè)音節(jié)。當(dāng)你一邊看說(shuō)者的口型同時(shí)試著努力聽這個(gè)音節(jié)，會(huì)聽到一個(gè)聲音？然后你再閉上眼睛聽，你會(huì)發(fā)現(xiàn)兩次聽到的聲音不一樣。為什么會(huì)不一樣？

其實(shí)這個(gè)聲音一直都是發(fā)“BA”這個(gè)音節(jié)。但是，大家睜開眼的時(shí)候聽到的是“DA”，閉上眼聽到的是“BA”。

為什么會(huì)這樣？因?yàn)槟憧匆?jiàn)她的嘴動(dòng)，是“GA”的口型。當(dāng)你邊看邊聽時(shí)，視覺(jué)看到的“GA”與聽覺(jué)聽到的“BA”融合在一起，就變成了“DA”。

如果用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的話，它是一個(gè)加權(quán)平均的效果。什么意思呢？就是兩個(gè)信息源根據(jù)不同權(quán)重加起來(lái)形成一個(gè)新的表征。

這個(gè)權(quán)重如何決定？我們大腦里有一個(gè)計(jì)算方式。我們認(rèn)為權(quán)重大小可能是與某個(gè)信息源的方差成反比。方差意味著它的不確定性，方差越大，不確定性越多。

權(quán)重與方差呈反比，也就是說(shuō)，越確定，你就會(huì)越依賴于它。這就是為什么看電影的時(shí)候，你會(huì)覺(jué)得聲音是從屏幕中的演員嘴里說(shuō)出來(lái)的，而不是從兩邊的喇叭里說(shuō)出來(lái)的。如果大腦覺(jué)得兩個(gè)信息源的權(quán)重是差不多，就像剛才“DA”的實(shí)驗(yàn)，你會(huì)聽見(jiàn)第三種聲音。

如果聽的信息與看的信息一致的話，大腦會(huì)做1+1大于2的計(jì)算。而如果它們不一樣的話，那就是1+1小于2。

這表明，大腦確實(shí)有一種機(jī)制把不同的信息源，按照不同的方式整合起來(lái)，從而影響我們的行為。

3.大腦有預(yù)測(cè)機(jī)制，直接調(diào)制聽覺(jué)皮層

通常我們所說(shuō)信息源一般是由外界而來(lái)。如果有信息是來(lái)自內(nèi)部呢？比如說(shuō)我們的記憶，對(duì)吧？

大腦并非機(jī)器，有其主動(dòng)性。它不是等著信息來(lái)了再分析，而是會(huì)主動(dòng)預(yù)判的。

講到這里，就是時(shí)候解釋為什么我們不能逗自己笑了。

我們都知道，我們的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制著我們的動(dòng)作，感覺(jué)系統(tǒng)讓我看見(jiàn)、聽見(jiàn)，這兩個(gè)系統(tǒng)不是彼此孤立的。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)時(shí)，可以直接傳導(dǎo)到感覺(jué)系統(tǒng)，而這個(gè)信號(hào)可以是預(yù)測(cè)某個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生的結(jié)果。

就像你自己撓癢和別人撓癢，其實(shí)癢的感覺(jué)是一樣的。唯一的區(qū)別是大腦里的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)提前告訴感覺(jué)系統(tǒng)說(shuō)：“我自己會(huì)碰到自己了。”這個(gè)預(yù)測(cè)信號(hào)與反饋信號(hào)是一模一樣的，所以會(huì)互相抵消，你就不會(huì)有癢的感覺(jué)了。

不止是撓癢的現(xiàn)象，你有沒(méi)有想過(guò)為什么我們能流利地說(shuō)話呢？

你們覺(jué)得說(shuō)話是很容易的事情，其實(shí)它是非常困難的。以我的語(yǔ)速，大概1秒鐘能說(shuō)8個(gè)音節(jié)，也就是每125毫秒要說(shuō)一個(gè)音節(jié)。我不僅要把意思表達(dá)出來(lái)，要知道如何來(lái)說(shuō)，如何控制我的肌肉來(lái)輸出，還要隨時(shí)監(jiān)控我說(shuō)的話，保證它是我想說(shuō)的。

我們是如何在125毫秒之內(nèi)完成如此多功能的？我們認(rèn)為大腦里有一個(gè)預(yù)測(cè)機(jī)制，會(huì)從你的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)直接告訴感覺(jué)系統(tǒng)你將要說(shuō)什么、怎么說(shuō)。而這個(gè)預(yù)測(cè)與反饋對(duì)比，進(jìn)一步來(lái)控制我們的輸出。

如果要用神經(jīng)科學(xué)來(lái)證明的話，有一個(gè)問(wèn)題就是你的輸出與大腦的預(yù)測(cè)在時(shí)間上和空間上是重疊的，我們的所有結(jié)果都會(huì)被說(shuō)話所掩蓋。

于是，我想到了最傳統(tǒng)的心理學(xué)范式——想象說(shuō)話。

想象其實(shí)就是一個(gè)預(yù)測(cè)的過(guò)程。如果被試者想象說(shuō)話，我們可以直接觀察大腦是否有這個(gè)預(yù)測(cè)過(guò)程。有意思的是在想象說(shuō)話后的170毫秒，被試者大腦產(chǎn)生了一個(gè)圖像，跟你真正聽見(jiàn)聲音時(shí)，大腦產(chǎn)生的圖像一模一樣！這就證明了大腦里確實(shí)有預(yù)測(cè)機(jī)制，它可以激活聽覺(jué)皮層。

那預(yù)測(cè)機(jī)制能否與反饋機(jī)制融合在一起呢？只有融合在一起，才能實(shí)現(xiàn)監(jiān)視我們說(shuō)話的功能。

我們又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

我們讓被試者來(lái)想象說(shuō)“DA”這個(gè)音節(jié)?？梢允窍胂蟠舐暫啊癉A、DA、DA”，又或是想象小聲說(shuō)“DA、DA、DA”。然后，我們會(huì)讓他們聽真實(shí)的“DA”聲。

結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)想象聲音的大小會(huì)影響真實(shí)聽見(jiàn)聲音的大小。如果你想象大聲說(shuō)話，那么你后面聽到聲音時(shí)，會(huì)覺(jué)得聲音變小了。

比如你今天回家太晚，覺(jué)得伴侶會(huì)跟你吵架。于是，在電梯里，你已經(jīng)想象過(guò)一遍吵架了，吵得非常兇，聲音非常大。待會(huì)你進(jìn)屋的時(shí)候，會(huì)覺(jué)得聲音稍微柔和了一些。

時(shí)間（毫秒）

所以說(shuō)，想象的東西其實(shí)在大腦里也會(huì)有反應(yīng)，可以直接調(diào)制你的聽覺(jué)皮層。

最后，所有實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果是，我們所有的思維、意識(shí)和行為都是一套復(fù)雜完整的算法在腦這個(gè)硬件上計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。

這個(gè)算法就是我們認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)主要研究的方向。由于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)只有幾十年的歷史，我們對(duì)大腦算法的理解還非常膚淺。但是，現(xiàn)在全世界約有幾十萬(wàn)個(gè)神經(jīng)科學(xué)研究者在共同奮斗，還有工程學(xué)、醫(yī)學(xué)甚至哲學(xué)等其他領(lǐng)域的人們?cè)诩尤胛覀兊年?duì)伍。世界上所有主要國(guó)家也都在開展或正在醞釀開展腦計(jì)劃，包括我們中國(guó)。

對(duì)大腦機(jī)制的研究非常有意義，不僅可以加深我們對(duì)自我的認(rèn)知，而且有著巨大的應(yīng)用前景。比如預(yù)防治療腦疾病，尤其是一些精神疾病。此外，還會(huì)促進(jìn)人工智能質(zhì)的飛躍，因?yàn)橹挥形覀冄芯砍隽舜竽X的算法，計(jì)算機(jī)才能進(jìn)行模擬，真正地理解人。