从内到外的大脑:2020年Kavli主题演讲揭示了认知

在过去的一个世纪里，科学上最深刻但最不直观的进步之一是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，它定义了空间和时间是如何交织在一起，形成宇宙的基本结构:时空。这个看似深奥的理论对我们的日常生活有着惊人的直接影响，从实现GPS导航到帮助维护全球通信网络。

值得注意的是，时空的概念在神经科学中也有一个深刻的推论，正如纽约大学György Buzsáki在APS的2020年弗雷德·卡弗里主题演讲中所探讨的那样。在他的演讲中，Buzsáki挑战了“时间”和“空间”在大脑中以不同的表示或“坐标”编码的流行观点，这是由于2020年APS年会的取消而进行的虚拟演讲。相反，他假设神经活动可以被描述为沿着时空连续体的一系列事件。

Buzsáki的中心思想是，我们的大脑不是在出生时就像一张白纸，而是生来就有组织的大脑，它们可以形成高度结构化的、强大而灵活的模式。他将其称为“由内而外”的框架，在这个框架中，大脑具有预先配置和自组织的动态，限制了它的行为方式和看待世界的方式。在大脑的非平等组织中，先前存在的无意义的大脑模式通过基于行动的经验变得有意义。

为了探讨这一点，Buzsáki解决了三个相互关联的问题:

• 我们是如何继承神经科学框架的?
• 认知机制是如何产生的?
• 替代目前占主导地位的“白板”模式的是什么?

Buzsáki以回顾他提出的现代心理学的诞生开始了他的演讲:1890年出版的心理学原理威廉·詹姆斯著。Buzsáki注意到我们现在用来描述心理学的词汇存在于这本影响深远的书的章节标题中。例如“记忆”、“感觉”和“想象”等章节。这些相同的概念今天仍然存在于既定的大脑“输入-输出”模型中。

Buzsáki说:“在这个框架中，大脑不会因为新的经历而发生很大的变化。”“我们可以在不改变大脑动态的情况下学习任何数量的新事物。这在白板模型中是不可能的。”

György Buzsáki(纽约大学)

我们是如何继承今天的神经科学框架的?

根据输入-输出模型，大脑了解世界的特征(输入)，然后通过某种中介或“黑匣子”功能将其转化为输出，产生意识、决策和自由意志。

Buzsáki的主要观点是提出另一种模型——由内而外的模型——该模型以大脑是一个自组织系统的观点为出发点。在这个新模型中，大脑的主要工作是预测其行为的后果，以及什么对身体的生存有用。从现有的内部组织模式开始，大脑然后产生输出。这些输出，反过来，继续影响我们从外部世界接收的输入:我们的感知。

与从具体到一般的输入输出模型相反，由内到外模型从“足够好”的概括开始，通过经验变得详细。Buzsáki用观察玫瑰的简单例子解释了这个想法。

在输入-输出框架(也被称为“由外至内”框架)中，大脑无法理解像玫瑰这样的物体与外部世界的关系。然而，一个由内而外的框架通过将玫瑰与身体“发出”的一些动作(比如捡起并移动玫瑰)进行比较，为认知提供了所需的基础。每当大脑发出一个动作，它就会通过比较它在外部世界所感知到的变化来通知大脑的其他部分。

Buzsáki说:“所以我最大的主张是，这种行为是接地的来源，它可以产生我们许多感知的意义。”

怎么可能从一个简单的大脑，我们能够产生一个非常复杂的计算，我们称之为认知?

认知机制是如何产生的?

根据Buzsáki的说法，这个问题的答案是，认知只不过是内化的行为。在一个简单的大脑模型中，只有很少的神经元连接，用一个简单的输入输出机制来评估环境和预测可能的未来结果是可能的，但方式非常有限。

然而，在进化程度更高的大脑中，神经网络变得如此复杂，以至于即使没有外部环境，神经元连接也可以进行外推和内插。“大脑学会在更复杂的环境和更长的时间尺度下进行预测，”Buzsáki指出。

随着时间的推移，大脑不断进化、学习，并变得不再需要与环境相互作用来预测结果。这使我们能够考虑“如果”的场景，在这种场景中，我们想象假设行为的后果，而不是在现实世界中采取行动。

这个想法的一个具体例子是Buzsáki早期关于记忆和导航的一些工作，它描述了在一个环境中导航的两种不同方式。第一种模式纯粹是内化的，就像一个人走过一个完全黑暗、不熟悉的房间一样。Buzsáki指出，这样做的时间越长，累积的错误就越多。这就是为什么我们需要另一个锚，当我们睁开眼睛，使用地标或基于地图的导航时，我们就会得到这个锚。

这个导航系统也被用来在大脑中创造记忆，我们可以把它看作是认知导航。它也可以用来通过想象和规划来预测未来。Buzsáki解释说:“我们使用的硬件和神经机制与导航完全相同，只是我们不再依赖外部地标或身体反馈。”

正如有两种类型的空间导航一样，Buzsáki也识别出两种类型的记忆:情景(自我参照)和语义(非中心)。情景记忆是指发生在某人身上的事情，地点和时间。语义记忆是指某件事发生在别人身上，或者类似的事情在不同的语境中多次发生在同一个人身上。外部包装(体验的特定元素)丢失了，剩下的是语义记忆。

在早期的认知模型中，这些时间和空间的基础与大脑的不同部分有关。然而，在Buzsáki的由内而外模型中，时间和空间的心理处理开始融合——这一事实引起了很多麻烦，因为已经存在一个情景记忆的定义，它将发生的“事情”与发生的地点和时间联系起来。

在由外而内的模型中，重新组合来自大脑不同部分的不同元素就是我们创造记忆的方式。Buzsáki指出，这类似于牛顿的经典物理学，因为空间是一个容器，时间是一个箭头，它给每一次经历一个时间戳。

然而，这与由内而外的模型形成了对比，后者在现代爱因斯坦物理学中有更接近的类比。正如卡洛·罗维利(Carlo Rovelli)在2016年所指出的那样:“不再有‘包含’世界的空间，也不再有事件发生的‘时间’。”

Buzsáki指出，神经元按照与环境相关的顺序放电是一种由外而内的心理过程。但这种线性的、循序渐进的过程不允许预测或想象的由内而外的动态。“这些自我生成的、内部生成的序列是我们认知能力的基础，”他观察到。

为了说明他的观点，Buzsáki讨论了一项研究，比较了动物在选择向左或向右移动以获得奖励之前大脑中神经元的放电情况。这项研究的数据表明，记录的神经元模式可以预测动物将做出的选择，准确率接近90%。

从这个实验中得到的关键信息是，海马体中的每个细胞都可以作为位置细胞或时间细胞。因此，将海马体中的神经元称为位置细胞或时间细胞与大脑无关，Buzsáki认为。“重要的是下游的解读机制如何对海马体信息进行分类。”

这意味着情景记忆可能需要重新定义，因为在物理和精神空间中的导航都是一系列事件。海马体是一个通用的序列生成器，它对内容有限的有序结构进行编码，这表明海马体的功能就像大脑的“图书管理员”或“搜索引擎”。

空白模式的替代方案是什么?

Buzsáki在他的最后一个观点开始时提出，神经科学中目前的大脑模型类似于一个白板模型，在这个模型中，大脑的复杂性“应该随着你所拥有的经验的数量而扩大”。换句话说，经过多年的学习，大脑从非常简单进化到非常复杂。在这个系统中，大脑从随机的、平等的连接开始。

然而，Buzsáki提倡的模型是一种“扭曲的”或非平等主义的神经元排列，这些神经元在大脑中组织成预先形成的网络。有了这些内在的网络，大脑能够在没有任何先前经验的情况下产生大量的序列模式。这些连接具有广泛的突触权重、放电速率和群体同步性。Buzsáki从数学和积累的数据中得到启发，将神经元的扭曲和空白分布模型分别与对数函数和线性函数进行了比较。

Buzsáki提出的对数分布是大脑试图调和认知要素之间相互冲突的需求，包括动态范围、稳定性、可塑性和冗余等。

“它们都在相互竞争，”Buzsáki观察到，“自然界对这些问题的回答通常是多样性。”半岛官方体育app他证明了这一观点，当处理一个包含许多选择的场景时，就像动物在七臂放射状迷宫中一样，如果一个神经元在选择了一条路径后被激活，那么它在另一条路径上被激活的几率非常低。然而，在每一种情况下，都有少数神经元被激活。

这表明其中一些神经元是泛化的，而大多数神经元是非常具体的。但是，在一幅将特定(或下游)突触与一般突触进行比较的插图中，Buzsáki显示，一般突触具有更广泛的连接，并且放电速度更快。所以，尽管它们只占大脑的一小部分，但它们可以解释大脑过程中大约一半的表现。

在一项研究动物学习能力的实验中，Buzsáki和他的团队发现，低放电神经元与学习的关系更大;它们是可塑的，对特定的情况很容易做出反应。然而，少数快速放电的神经元更为僵化，它们的功能是大脑“足够好”的即时猜测。

这有助于我们理解我们是如何学习的。在白板模型中，我们从一个简单的大脑开始，就像空白的页面，然后我们填充细节。Buzsáki放弃了这种可能性，而是得出结论，大脑具有预先配置的动态和可能的神经元序列领域。

Buzsáki说:“在这个框架中，大脑不会因为新的经历而发生很大的变化。”“我们可以在不改变大脑动态的情况下学习任何数量的新事物。这在白板模型中是不可能的。”

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