close
神經元簇的威力
有了可以代表特定記憶的活動樣式，我們就想了解那些我們所「監聽」的神經元是如何合作為不同事件編碼。歐珊與我使用了循序MDA方法，再加上聚類分析（hierarchical chustering）的數學方法後發現，整體而言，這些網絡層級的樣式，是由不同神經細胞群的子集所製造出來的，我們稱這些子集為「神經元簇」（neural clique）。神經元簇是一群神經元，會對某特定事件產生類似反應，因此成為穩定的編碼單元。
我們還發現，每個特定事件總是由一組神經元簇所表現，這些神經元簇編寫該事件不同性質的代碼，從一般性質到特殊性質都有。值得注意的是，地震事件會活化「廣普驚嚇神經元簇」（這個神經元簇會對三種驚嚇的刺激產生反應）、只對運動擾亂相關事件（地震與電梯墜落）產生反應的第二個神經元簇、只對搖晃產生反應的第三個神經元簇，以及代表事件發生的地點（每次震動前我們會將小鼠放在兩個容器中的一個）的第四個神經元簇。因此，這些事件的相關訊息，是由階層結構不變（從普遍到特殊）的神經元簇集合來代表。我們將這種階層安排視為特徵編碼的金字塔，金字塔底部編寫的是普遍特徵的代碼（像是「驚嚇」事件），而金字塔頂端編寫的是比較特殊訊息的代碼（像是「搖晃」或「在黑盒子裡搖晃」）。
海馬CA1區接收來自許多腦區與感覺系統的訊息，這個特性最有可能會影響神經元簇所編寫的訊息代碼種類。舉例來說，對所有三種驚嚇事件都有反應的神經元簇，可能整合了來自杏仁體的訊息（這個腦區處理恐懼或新奇等情緒），因此編寫的是「這些事件恐怖又嚇人」的代碼；而同時會被地震與電梯墜落所活化的神經元簇，則可能處理來自前庭系統的輸入（這個系統提供有關運動擾亂的訊息），因此編寫的是「這些事件讓我失去平衡」的代碼。同樣地，只對發生於某特定地點的特定事件有反應的神經元簇，可能還整合了來自位置細胞的訊息（這些神經元會在個體經過熟悉的特別地點時活躍），因此編碼是「地震發生在黑盒子裡」。
建築記憶的金字塔
我們的發現顯示出幾個有關記憶密碼的基本編寫原則。首先，我們認為，神經元簇是形成記憶的功能性編碼單元，而且它們非常穩定，縱使簇內某些個別神經元活性多少會有差異，照樣足以代表訊息。雖然「記憶與知覺是由神經元群來代表」不是個新觀念，但我們認為，我們是最先取得實驗數據，指出這些訊息是如何由神經元群建構而成。靠著編寫記憶代碼的神經元簇，腦從同一事件萃取出不同特性並加以記錄，原則上是將某特定事件相關的訊息，從最普遍、抽象的特性到最特殊的面向，排成階層分明的金字塔。我們認為，每個金字塔都可以看成是多面角錐的一面，這個多面體代表屬於某一共同範疇的所有事件，像是「所有的驚嚇事件」。
利用這種組合與分層的方式來形成記憶，腦就可以產生幾乎無限量的獨特網絡階層樣式，來代表個體一生中可能碰到的無限多經驗，就像組成DNA分子的四種核酸「字母」，基本上可以無限多的樣式組合起來，造就出地球上幾近無限多樣的生命。而且由於記憶密碼是根據範疇與階層來編寫的，單純置換掉記憶金字塔頂端的特定單元，可能就代表新經驗的產生，其結果就像是在說：這次在籬笆後面叫的狗是貴賓狗而不是德國牧羊犬，或地震是發生在美國加州而不是印尼。 每個記憶編碼金字塔一定都含有處理較為抽象訊息的神經元簇，這個事實再次說明腦不單只是用來記錄特定事件中所有細節的工具而已。記憶系統的神經元簇，讓腦在為特定事件的主要特性編寫代碼時，同時可以從這些經驗萃取出普遍訊息，以便應用在未來出現某些本質相近但在細節上有若干差異的事件上。從日常事件產生抽象觀念與知識的能力，是人類智慧所不可或缺的，讓我們能在這個持續變動的世界解決新的問題。
就以「床」這個觀念來舉例。當我們走進世界上任一個旅館的房間，可以立即知道哪個是床，即便這張床以前未曾見過。正是記憶編碼組合的構造，讓我們不僅保有某張特定的床的形象，還能夠產生「床是什麼」的普遍知識。的確，我與同事已經在小鼠身上找到這個證據。我們在做實驗的過程中無意間發現，有一小群海馬神經元似乎只會對「窩」的抽象觀念產生反應。這些細胞對所有不同類型的窩產生非常強烈的反應，不管是圓形、方形的或是三角形的；也不管是棉花、塑膠還是木頭的。在窩上面放上一塊玻璃，小鼠看得見窩卻爬不進去，窩細胞就不再反應。我們下了一個結論：這些細胞反應出的不是窩的物理面向（像是外觀、形狀或材質），而是窩的功能特性「可以蜷曲入眠之所」。
神經元簇的範疇與階層式結構，最有可能代表一種普遍機制，不僅用來編寫記憶密碼，也用來處理與表現海馬以外腦區的其他種類訊息，從感覺性知覺到意識思考都有。有證據指出這個假設是正確的：就以視覺系統為例，研究人員已經發現會對「臉孔」產生反應的神經元，這包括人的臉、猴子的臉，或甚至是臉孔形狀的葉子。還有一些研究人員發現了只對某些臉孔產生反應的細胞。再回到海馬，研究癲癇患者的人發現，海馬中有一群細胞在看到名人時會增加活動頻率。美國加州大學洛杉磯分校的佛里德（Itzhak Fried）進一步觀察到一個有意思的現象，某位患者海馬的某個細胞似乎只對好萊塢女演員荷莉貝瑞（Halle Berry）有反應（也許這顆細胞屬於荷莉貝瑞神經元簇的一員！）。綜合來看，這些觀察支持一個說法：訊息處理單元這種從普遍到特殊的階層結構，代表整個訊息編碼的大腦普遍原則。
還記得11001嗎？
小鼠研究還讓我們找到一個方法，可以用來比較不同大腦的樣式，甚至是將大腦訊息傳給電腦。利用一種叫矩陣求逆（matrix inversion）的數學運算方法，我們可以將神經元簇集合的活性轉換成二位元字串，字串裡的1代表檢視過的特定神經元簇中每一個編碼單元（神經元簇）的活化狀態，而0代表不活化狀態。舉例來說，地震記憶也許寫成「11001」，第一個1代表普遍驚嚇單元的活化，第二個1代表運動擾亂，第一個0代表噴氣神經元簇沒有活性，第二個0代表升降梯墜落神經元簇沒有活性，而最後一個1表示地震神經元簇的活化。將類似的二位元編碼應用到四隻不同小鼠的神經元簇活性，我們可以高達99%的精確度預測出小鼠經驗到哪些事件以及事件發生所在。換言之，透過二位元編碼，我們可以用數學的形式，讀取並比較小鼠的心智活動。
腦的這種二位元編碼，也可能提供了研究認知的統一架構，甚至可比較不同物種的認知，而且還可能大力促進更流暢、快速的人腦–電腦通訊方式的設計。舉例來說，我們已經設計了一套系統，將經歷過地震的小鼠的神經活性轉換成二位元碼，用來控制逃生門的開關，讓小鼠可以逃離搖晃的籠子。我們認為，這個方法提供了另一個更直覺的解碼方法，可以用來控制現存的裝置，像是讓有著神經植入體的患者可以控制電腦螢幕上的游標，或記錄猴子運動皮質的訊號來移動機器手臂。更進一步，大腦記憶編碼的即時處理，有朝一日或許就可以直接將記憶下載到電腦，以數位方式永久貯存下來。
此外，我們與其他電腦工程師正開始應用大腦記憶系統結構的知識，設計出全新世代的聰明電腦，與以網路為核心的系統，因為在面對人類很容易就做到的認知決策時（像是認出現在已經長了鬍子的20年前高中同學），現在機器的能力真是奇差無比。也許有一天，聰明電腦與機器將裝上精密感應器與類似海馬記憶編碼單元的範疇與階層式邏輯構造，能做到的不只是模仿而已，甚至還能在處理複雜認知任務方面超越人類。
對我而言，我們的發現也引發了許多有趣卻又令人不安的哲學問題。如果我們所有的記憶、情緒、知識與想像都可以轉換成1與0，天曉得這對「人是什麼」以及「人未來如何運作」等問題會帶來什麼樣的衝擊。有可能在5000年後，我們可以將心智下載到電腦、傳送到遙遠國度、不朽於網路世界嗎？
2007 8月 科學人
有了可以代表特定記憶的活動樣式，我們就想了解那些我們所「監聽」的神經元是如何合作為不同事件編碼。歐珊與我使用了循序MDA方法，再加上聚類分析（hierarchical chustering）的數學方法後發現，整體而言，這些網絡層級的樣式，是由不同神經細胞群的子集所製造出來的，我們稱這些子集為「神經元簇」（neural clique）。神經元簇是一群神經元，會對某特定事件產生類似反應，因此成為穩定的編碼單元。
我們還發現，每個特定事件總是由一組神經元簇所表現，這些神經元簇編寫該事件不同性質的代碼，從一般性質到特殊性質都有。值得注意的是，地震事件會活化「廣普驚嚇神經元簇」（這個神經元簇會對三種驚嚇的刺激產生反應）、只對運動擾亂相關事件（地震與電梯墜落）產生反應的第二個神經元簇、只對搖晃產生反應的第三個神經元簇，以及代表事件發生的地點（每次震動前我們會將小鼠放在兩個容器中的一個）的第四個神經元簇。因此，這些事件的相關訊息，是由階層結構不變（從普遍到特殊）的神經元簇集合來代表。我們將這種階層安排視為特徵編碼的金字塔，金字塔底部編寫的是普遍特徵的代碼（像是「驚嚇」事件），而金字塔頂端編寫的是比較特殊訊息的代碼（像是「搖晃」或「在黑盒子裡搖晃」）。
海馬CA1區接收來自許多腦區與感覺系統的訊息，這個特性最有可能會影響神經元簇所編寫的訊息代碼種類。舉例來說，對所有三種驚嚇事件都有反應的神經元簇，可能整合了來自杏仁體的訊息（這個腦區處理恐懼或新奇等情緒），因此編寫的是「這些事件恐怖又嚇人」的代碼；而同時會被地震與電梯墜落所活化的神經元簇，則可能處理來自前庭系統的輸入（這個系統提供有關運動擾亂的訊息），因此編寫的是「這些事件讓我失去平衡」的代碼。同樣地，只對發生於某特定地點的特定事件有反應的神經元簇，可能還整合了來自位置細胞的訊息（這些神經元會在個體經過熟悉的特別地點時活躍），因此編碼是「地震發生在黑盒子裡」。
建築記憶的金字塔
我們的發現顯示出幾個有關記憶密碼的基本編寫原則。首先，我們認為，神經元簇是形成記憶的功能性編碼單元，而且它們非常穩定，縱使簇內某些個別神經元活性多少會有差異，照樣足以代表訊息。雖然「記憶與知覺是由神經元群來代表」不是個新觀念，但我們認為，我們是最先取得實驗數據，指出這些訊息是如何由神經元群建構而成。靠著編寫記憶代碼的神經元簇，腦從同一事件萃取出不同特性並加以記錄，原則上是將某特定事件相關的訊息，從最普遍、抽象的特性到最特殊的面向，排成階層分明的金字塔。我們認為，每個金字塔都可以看成是多面角錐的一面，這個多面體代表屬於某一共同範疇的所有事件，像是「所有的驚嚇事件」。
利用這種組合與分層的方式來形成記憶，腦就可以產生幾乎無限量的獨特網絡階層樣式，來代表個體一生中可能碰到的無限多經驗，就像組成DNA分子的四種核酸「字母」，基本上可以無限多的樣式組合起來，造就出地球上幾近無限多樣的生命。而且由於記憶密碼是根據範疇與階層來編寫的，單純置換掉記憶金字塔頂端的特定單元，可能就代表新經驗的產生，其結果就像是在說：這次在籬笆後面叫的狗是貴賓狗而不是德國牧羊犬，或地震是發生在美國加州而不是印尼。 每個記憶編碼金字塔一定都含有處理較為抽象訊息的神經元簇，這個事實再次說明腦不單只是用來記錄特定事件中所有細節的工具而已。記憶系統的神經元簇，讓腦在為特定事件的主要特性編寫代碼時，同時可以從這些經驗萃取出普遍訊息，以便應用在未來出現某些本質相近但在細節上有若干差異的事件上。從日常事件產生抽象觀念與知識的能力，是人類智慧所不可或缺的，讓我們能在這個持續變動的世界解決新的問題。
就以「床」這個觀念來舉例。當我們走進世界上任一個旅館的房間，可以立即知道哪個是床，即便這張床以前未曾見過。正是記憶編碼組合的構造，讓我們不僅保有某張特定的床的形象，還能夠產生「床是什麼」的普遍知識。的確，我與同事已經在小鼠身上找到這個證據。我們在做實驗的過程中無意間發現，有一小群海馬神經元似乎只會對「窩」的抽象觀念產生反應。這些細胞對所有不同類型的窩產生非常強烈的反應，不管是圓形、方形的或是三角形的；也不管是棉花、塑膠還是木頭的。在窩上面放上一塊玻璃，小鼠看得見窩卻爬不進去，窩細胞就不再反應。我們下了一個結論：這些細胞反應出的不是窩的物理面向（像是外觀、形狀或材質），而是窩的功能特性「可以蜷曲入眠之所」。
神經元簇的範疇與階層式結構，最有可能代表一種普遍機制，不僅用來編寫記憶密碼，也用來處理與表現海馬以外腦區的其他種類訊息，從感覺性知覺到意識思考都有。有證據指出這個假設是正確的：就以視覺系統為例，研究人員已經發現會對「臉孔」產生反應的神經元，這包括人的臉、猴子的臉，或甚至是臉孔形狀的葉子。還有一些研究人員發現了只對某些臉孔產生反應的細胞。再回到海馬，研究癲癇患者的人發現，海馬中有一群細胞在看到名人時會增加活動頻率。美國加州大學洛杉磯分校的佛里德（Itzhak Fried）進一步觀察到一個有意思的現象，某位患者海馬的某個細胞似乎只對好萊塢女演員荷莉貝瑞（Halle Berry）有反應（也許這顆細胞屬於荷莉貝瑞神經元簇的一員！）。綜合來看，這些觀察支持一個說法：訊息處理單元這種從普遍到特殊的階層結構，代表整個訊息編碼的大腦普遍原則。
還記得11001嗎？
小鼠研究還讓我們找到一個方法，可以用來比較不同大腦的樣式，甚至是將大腦訊息傳給電腦。利用一種叫矩陣求逆（matrix inversion）的數學運算方法，我們可以將神經元簇集合的活性轉換成二位元字串，字串裡的1代表檢視過的特定神經元簇中每一個編碼單元（神經元簇）的活化狀態，而0代表不活化狀態。舉例來說，地震記憶也許寫成「11001」，第一個1代表普遍驚嚇單元的活化，第二個1代表運動擾亂，第一個0代表噴氣神經元簇沒有活性，第二個0代表升降梯墜落神經元簇沒有活性，而最後一個1表示地震神經元簇的活化。將類似的二位元編碼應用到四隻不同小鼠的神經元簇活性，我們可以高達99%的精確度預測出小鼠經驗到哪些事件以及事件發生所在。換言之，透過二位元編碼，我們可以用數學的形式，讀取並比較小鼠的心智活動。
腦的這種二位元編碼，也可能提供了研究認知的統一架構，甚至可比較不同物種的認知，而且還可能大力促進更流暢、快速的人腦–電腦通訊方式的設計。舉例來說，我們已經設計了一套系統，將經歷過地震的小鼠的神經活性轉換成二位元碼，用來控制逃生門的開關，讓小鼠可以逃離搖晃的籠子。我們認為，這個方法提供了另一個更直覺的解碼方法，可以用來控制現存的裝置，像是讓有著神經植入體的患者可以控制電腦螢幕上的游標，或記錄猴子運動皮質的訊號來移動機器手臂。更進一步，大腦記憶編碼的即時處理，有朝一日或許就可以直接將記憶下載到電腦，以數位方式永久貯存下來。
此外，我們與其他電腦工程師正開始應用大腦記憶系統結構的知識，設計出全新世代的聰明電腦，與以網路為核心的系統，因為在面對人類很容易就做到的認知決策時（像是認出現在已經長了鬍子的20年前高中同學），現在機器的能力真是奇差無比。也許有一天，聰明電腦與機器將裝上精密感應器與類似海馬記憶編碼單元的範疇與階層式邏輯構造，能做到的不只是模仿而已，甚至還能在處理複雜認知任務方面超越人類。
對我而言，我們的發現也引發了許多有趣卻又令人不安的哲學問題。如果我們所有的記憶、情緒、知識與想像都可以轉換成1與0，天曉得這對「人是什麼」以及「人未來如何運作」等問題會帶來什麼樣的衝擊。有可能在5000年後，我們可以將心智下載到電腦、傳送到遙遠國度、不朽於網路世界嗎？
2007 8月 科學人
全站熱搜
留言列表
歌詞。 (2)
