神经形态系统的神经生物学与认知基础

### 神经形态系统的神经生物学与认知基础 #### 意识与自我认知 意识并非简单的存在状态，而是大脑具有不同程度的感官、运动或其他类型注意力的复杂宏观状态。意识意味着我们在进行看、听、说、感受、思考等认知过程时，还能知晓并感知自我。自我被视为一种状态的序参量，它源于多重自我反思、自我监控以及对有意识行为的监督等递归过程。 自我反思得益于镜像神经元（例如布洛卡区的镜像神经元），这些神经元使灵长类动物（尤其是人类）能够模仿和模拟同伴的有趣行为。通过这种方式，人类可以学会从自己和同伴的角度去理解他人的意图，并产生共情。从神经心理学的角度来看，主观性的产生是可以被理解的。 #### 心理理论 大脑不仅能观察、映射和监控外部世界，还能监测有机体的内部状态，尤其是情绪状态。感觉是对自身情绪状态的自我意识，而情绪状态主要由边缘系统引发。在神经医学中，“心理理论”会分析位于新皮质特定区域的社会情感的神经关联。例如，阿尔茨海默病患者会失去共情和社会责任感，这是因为相关的神经区域遭到了破坏。因此，我们的道德推理和决策在大脑动力学中有着明确的基础。 #### 感受质与大脑动力学 从神经心理学的角度来看，古老的哲学问题“感受质”是可以解决的。感受质指的是一个人有意识体验到的属性。例如，假设有一位神经生物学家被限制在黑白房间里，尽管她从理论上了解关于颜色的所有神经信息处理知识，但她从未有机会体验颜色。这表明精确的知识并不能说明意识体验的质量。感受质是自我意识有机体与环境进行身体互动的结果，可以用复杂系统的非线性动力学来解释。我们可以解释主观感受和体验的动力学，但实际的感受仍然是个体的独特体验。在医学中，医生通常可以完全解释某种疼痛的动力学，但患者对疼痛的实际感受是个体特有的。 #### 大脑建模的分类 为了对大脑及其复杂能力进行建模，可以将其分为以下几类： 1. **神经元层面模型**：专注于每个神经细胞或神经元的动态和适应性属性，将神经元作为一个单元来描述。 2. **网络层面模型**：将相同的神经元相互连接，以展现系统的涌现功能。 3. **神经系统层面模型**：将多个网络组合起来，以展示更复杂的感官感知、运动功能、稳定性控制等功能。 4. **心理操作层面模型**：描述认知、思维、问题解决等基本过程。 #### 霍奇金 - 赫胥黎神经冲动微分方程 在复杂系统方法中，相互作用的神经元的微观层面可以用耦合微分方程来建模，以描述每个神经元的神经冲动传递。霍奇金 - 赫胥黎方程是一个非线性反应 - 扩散方程的例子，它可以精确预测神经冲动的电压速度和形状。后续可以以霍奇金 - 赫胥黎方程为蓝本，分析大脑的技术和计算模型。 #### 细胞集合与神经宏观动力学 单个神经冲动的局部活动不足以解释复杂的大脑动力学以及认知和心理能力的产生。大脑拥有超过 10¹¹ 个神经元，可以被视为一个巨大的非线性晶格，任意两个神经元之间都可以通过神经冲动相互作用。如何弥合局部神经活动的神经生理学与心理状态的心理学之间的差距是一个关键问题。单个神经元既不能思考也不能感受，只能放电或不放电，它们是复杂神经动力学的“原子”。 赫布（1949）在他的《行为的组织》一书中提出，学习应被理解为复杂大脑模型中的一种自组织过程。他引入了赫布型突触的概念，即如果两个神经元同时放电，它们之间的连接应该得到加强。虽然赫布的表述并非精确的数学模型，但后来在此基础上引入了类似赫布规则，这些规则可以在没有外部“教师”的情况下增强神经元的倾向性。例如，一个简单的数学版本的赫布规则规定，从神经元 A 投射到神经元 B 的权重 wBA 的变化 ΔwBA 与 A 和 B 的平均放电率 νA 和 νB 成正比，即 ΔwBA = ε νBνA（其中 ε 为常数）。如今，赫布型突触的神经生理学存在已得到了实证证实。 在宏观层面上，类似赫布相互作用的神经元会形成细胞集合，其宏观动力学由序参量主导。心理活动与同步放电的细胞集合相关。例如，同步放电的细胞集合可以代表对植物的视觉感知，这种感知不仅仅是所感知像素的总和，还具有一些典型的宏观特征，如形状、背景或前景。多个感知的细胞集合会在复杂的场景中相互作用，形成更高级的细胞集合，其宏观动力学同样由序参量描述。 #### 大脑的绑定问题 大脑中不存在能够感知、思考或至少协调适当神经元的“母神经元”。感知中像素和特征的绑定问题可以通过由大脑动力学的学习吸引子主导的同步放电神经元的细胞集合来解释。巴洛（1972）的理论假设为感知对象的每个属性、属性簇以及整个对象都有专门定制的神经元（“祖母神经元”）。但这种理论需要大量的专门神经元，并且对于不断变化的新感知情况需要临时假设。而辛格（1994）等人通过观察和测量证实了赫布的同步放电神经元概念，因此巴洛的理论对于解释格式塔现象并非必要。 #### 相互作用的细胞集合层次结构 通过以上方式，我们可以得到一个从神经元微观动力学开始的认知层次结构。每个层次的动力学由带有序参量的微分方程描述。例如，在宏观动力学的第