神奇的大腦是如何工作的？

文/田興（上海紐約大學神經與認知科學助理教授） 編輯/甄知

認識人類自身一直是我們夢寐以求的目標。要實現這一目標，最重要的一環就是研究控制一切器官的大腦。先問大家一個問題：我們可以給自己撓癢癢，逗自己笑嗎？沒試過的朋友可以自己先試試。答案是大多數人都是不能撓自己癢癢的，如果能的話，建議去看一下神經科醫生。

那么，為什么我們不能撓自己癢癢，逗笑自己呢？這與大腦的某種機制有關。

◆ 大腦是什么？

大腦其實就是我們顱骨里3斤左右的東西，其中神經細胞即神經元是神經系統最基本的結構和功能單位。一個人共有1000億左右的神經元。根據神經元的類型和組織方式不同，大腦可以分成不同的腦區，每個腦區負責不同的功能。

我們把大腦比作一個硬件。眾所周知，硬件必須通過軟件來完成任務。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。我們覺得大腦里可能也有這么一種“軟件”，支持很多算法來對接大腦這個硬件。

◆ 我們如何來驗證這個假設呢？

比較常見的一種方法是核磁共振，通過測量大腦釋放某些物質的能量來為大腦照相。但它的缺點是費時，兩秒才能照一張相，沒有辦法跟上人類思維的速度。另一種無創方法，是用電生理技術照腦電圖和腦磁圖，可以每一毫秒照一張，實時監控大腦的動態。我們就用這兩種無創的方法來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，傳導效率越低

我們做一個實驗。先在紙上寫一個字，比如“然”字，然后你盯著這個字一直看，使勁看，嘴里念叨：“然然然然……”

你覺得有什么奇怪的事情發生嗎？是不是這個字變得奇怪了？你覺得突然不認識這個字了。怎么“然”字右上角的犬字突然出現了？

大家可能都有過這個經歷，我自己就經常這樣。那時候，我就說是不是我癡呆了，突然不認識這個字了？

其實，當你看“然”字的時候，你的視覺信號會分析它的字形，然后將這些信號傳導到腦區，另一個腦區會分析這個字義。可如果你看久了，信息的傳導效率會降低。我們可以用數學模型來解釋這件事。

大腦中的神經元是通過化學信號來傳遞電信號的。如果有信息輸入進來，大腦通過神經遞質把電信號傳到下一個神經元。下一個神經元的輸出就是最下面公式的“O”。

可以看到，輸出其實是一個神經遞質含量的函數。而神經遞質其實就是它的傳導效率。從第二個公式看，神經遞質的傳導效率又跟輸出有關。也就是說，你輸出越來越多，你的神經遞質就會越來越少。

這是一個動態的關系。舉個例子，你讀“鴨子、鴨子、鵝”，你讀了兩遍鴨子，在視覺區和字形區，神經遞質就會減少。在你說第二次鴨子的時候，對鳥類這個語義的激活程度已經很低了。但是，接著你念了“鵝”，又再次激活了鳥的含義。

我們進一步用神經科學的方法來研究。我們會讓你看一個字，同時記錄你的腦電圖。我們發現在400毫秒之內，你會發生一系列大腦的處理活動。

比如，大腦可以在100毫秒、200毫秒和400毫秒的時間內，依次進行初級的視覺處理、字形處理和字義處理。

我們用動態的數據分析方法發現，當你盯著一個字看久了，視覺字形皮層和字義皮層之間確實存在傳導效率降低的現象。

你認為這是短時閱讀障礙，但其實是大腦很重要的一個功能。

為什么重要呢？假如你是一個原始人，在大草原上聽見貓叫。你發現聽過很多次貓叫，你也不會死，說明這個貓對你來說不重要。但是如果你突然聽見老虎叫，你會立刻反應“哎，快跑！”所以，新穎性探測對人類是很重要的。神經之間的傳導過程是會影響我們行為的。

2.不同信息源加權平均形成新的表征

我們的信息不一定總來自一個模態。如果有兩個或者多個信息源輸入的話，我們的大腦會怎么處理這些信息？

我們錄制過一個視頻，是我的學生在說一個音節。當你一邊看說者的口型同時試著努力聽這個音節，會聽到一個聲音？然后你再閉上眼睛聽，你會發現兩次聽到的聲音不一樣。為什么會不一樣？

其實這個聲音一直都是發“BA”這個音節。但是，大家睜開眼的時候聽到的是“DA”，閉上眼聽到的是“BA”。

為什么會這樣？因為你看見她的嘴動，是“GA”的口型。當你邊看邊聽時，視覺看到的“GA”與聽覺聽到的“BA”融合在一起，就變成了“DA”。

如果用數學公式表達的話，它是一個加權平均的效果。什么意思呢？就是兩個信息源根據不同權重加起來形成一個新的表征。

這個權重如何決定？我們大腦里有一個計算方式。我們認為權重大小可能是與某個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。

權重與方差呈反比，也就是說，越確定，你就會越依賴于它。這就是為什么看電影的時候，你會覺得聲音是從屏幕中的演員嘴里說出來的，而不是從兩邊的喇叭里說出來的。如果大腦覺得兩個信息源的權重是差不多，就像剛才“DA”的實驗，你會聽見第三種聲音。

如果聽的信息與看的信息一致的話，大腦會做1+1大于2的計算。而如果它們不一樣的話，那就是1+1小于2。

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

3.大腦有預測機制，直接調制聽覺皮層

通常我們所說信息源一般是由外界而來。如果有信息是來自內部呢？比如說我們的記憶，對吧？

大腦并非機器，有其主動性。它不是等著信息來了再分析，而是會主動預判的。

講到這里，就是時候解釋為什么我們不能逗自己笑了。

我們都知道，我們的運動系統控制著我們的動作，感覺系統讓我看見、聽見，這兩個系統不是彼此孤立的。運動系統發出信號時，可以直接傳導到感覺系統，而這個信號可以是預測某個動作產生的結果。

就像你自己撓癢和別人撓癢，其實癢的感覺是一樣的。唯一的區別是大腦里的運動系統會提前告訴感覺系統說：“我自己會碰到自己了。”這個預測信號與反饋信號是一模一樣的，所以會互相抵消，你就不會有癢的感覺了。

不止是撓癢的現象，你有沒有想過為什么我們能流利地說話呢？

你們覺得說話是很容易的事情，其實它是非常困難的。以我的語速，大概1秒鐘能說8個音節，也就是每125毫秒要說一個音節。我不僅要把意思表達出來，要知道如何來說，如何控制我的肌肉來輸出，還要隨時監控我說的話，保證它是我想說的。

我們是如何在125毫秒之內完成如此多功能的？我們認為大腦里有一個預測機制，會從你的運動系統直接告訴感覺系統你將要說什么、怎么說。而這個預測與反饋對比，進一步來控制我們的輸出。

如果要用神經科學來證明的話，有一個問題就是你的輸出與大腦的預測在時間上和空間上是重疊的，我們的所有結果都會被說話所掩蓋。

于是，我想到了最傳統的心理學范式——想象說話。

想象其實就是一個預測的過程。如果被試者想象說話，我們可以直接觀察大腦是否有這個預測過程。有意思的是在想象說話后的170毫秒，被試者大腦產生了一個圖像，跟你真正聽見聲音時，大腦產生的圖像一模一樣！這就證明了大腦里確實有預測機制，它可以激活聽覺皮層。

那預測機制能否與反饋機制融合在一起呢？只有融合在一起，才能實現監視我們說話的功能。

我們又做了一個實驗。

我們讓被試者來想象說“DA”這個音節。可以是想象大聲喊“DA、DA、DA”，又或是想象小聲說“DA、DA、DA”。然后，我們會讓他們聽真實的“DA”聲。

結果我們發現想象聲音的大小會影響真實聽見聲音的大小。如果你想象大聲說話，那么你后面聽到聲音時，會覺得聲音變小了。

比如你今天回家太晚，覺得伴侶會跟你吵架。于是，在電梯里，你已經想象過一遍吵架了，吵得非常兇，聲音非常大。待會你進屋的時候，會覺得聲音稍微柔和了一些。

時間（毫秒）

所以說，想象的東西其實在大腦里也會有反應，可以直接調制你的聽覺皮層。

最后，所有實驗得出的結果是，我們所有的思維、意識和行為都是一套復雜完整的算法在腦這個硬件上計算出來的結果。

這個算法就是我們認知神經科學主要研究的方向。由于認知神經科學只有幾十年的歷史，我們對大腦算法的理解還非常膚淺。但是，現在全世界約有幾十萬個神經科學研究者在共同奮斗，還有工程學、醫學甚至哲學等其他領域的人們在加入我們的隊伍。世界上所有主要國家也都在開展或正在醞釀開展腦計劃，包括我們中國。

對大腦機制的研究非常有意義，不僅可以加深我們對自我的認知，而且有著巨大的應用前景。比如預防治療腦疾病，尤其是一些精神疾病。此外，還會促進人工智能質的飛躍，因為只有我們研究出了大腦的算法，計算機才能進行模擬，真正地理解人。