腦機穿越：關於大腦的10大原則

來自專欄《知識經濟和人工智慧的新哲學》

出生於巴西的米格爾·尼科萊利斯在2004年被《科學美國人》雜誌評為全球最具影響力的20位科學家之一，而他現在是美國杜克大學神經工程中心「尼科萊利斯實驗室」的負責人和首席研究員。該實驗室以「獼猴意識控制機械臂」的試驗而著稱，試驗成功將獼猴的大腦意識和電腦信號完成聯接，因此也被稱為「腦機介面研究」。

目前「腦機介面研究」成果已經在人體成功應用，可讓大腦控制機器，使得殘疾人用另一種方式獲得行動能力。在2014年巴西世界盃的首場比賽中，一位截癱青年身穿學名為「外骨骼」的「機械戰甲」為彼屆世界盃開出第一球，正是尼科萊利斯「重新行走項目」研究成果的一次展示。

在《腦機穿越：腦機介面改變人類未來》一書中，尼科萊利斯提出了關於大腦的10個原則、2個假設和2種限制：

原則1：神經生理學不確定原則

如果不明確某個特定時刻，我們便不能定義某個神經元感受野的空間域。換句話說，神經元放電的時間域與空間域是緊密聯繫在一起的，它們共同定義了神經元的時空連續體。

原則2：非同步會聚原則

單個神經元的感受野以及嵌入在腦區中的「地圖」，由無數其他神經元所產生的上行影響、本地影響以及下行影響的非同步時空會聚所定義。在單一的時空連續體中，只有將神經元的空間域與時間域結合起來，才能恰當地定義感受野及地圖。

原則3：分布編碼原則

大腦對任何類型的信息的加工都要徵召分布廣泛的神經元集群。

原則4：單個神經元不足原則

成為特定參數的單個神經元無論調諧得多好，它的放電率都不足維持皮層所醞釀的某種功能或行為。由於多數單個神經元的貢獻會時刻發生顯著改變，因此它們缺乏統計上的可靠性。這意味著，腦機介面無法在長時間裡僅僅基於單個神經元的放電率，就能保持始終如一的運作。而且，思維的基本功能單位也不會是單個神經元，而應該是神經元集群。

原則5：神經元多任務處理原則

單個皮層神經元及它們可能的放電能夠同時參與多種功能的神經元集群。這意味著，單個神經元所產生的峰電位能夠被不同的神經元集群用來編碼多種功能參數和行為參數。因此，即使在某一時刻，單個神經元或許會更明顯地與某個運動參數或感覺參數調諧，但它的快速放電會同時參與另一個神經元子集執行的不同參數的編碼。神經元多任務處理原則預測，整個大腦皮層能夠展示出跨形態的感覺反應，而單個神經元能夠編碼多種運動參數或者其他更高層的認知參數。

原則6：神經簡併原則

某一特定的大腦結果，無論是運動行為、知覺體驗，甚至是複雜行為，比如唱歌或解方程，都可以由種類繁多的、不同的神經元時空活動模式產生。

原則7：可塑性原則

皮層神經元所創造的有關世界的表徵並非固定不變的，而是不穩定的。在人的一生中，根據新經驗、新的自我模式、外部世界的新刺激以及新同化工具等的不同，這一表徵會不斷調整自己。

原則8：背景原則

對於傳入的刺激或對產生某種動作行為的需要，大腦皮層會作為一個整體來進行應答，其反應取決於當時大腦整體的內在狀態。也就是說，為產生某種行為，不斷變化的大腦動態對於確定最佳解決方案至關重要。

原則9：神經元集群放電保存原則

神經元集群的放電不僅有最大值的限制，而且整個集群的放電率趨向於一個固定值。其放電率在平均值周圍徘徊，因為各種補償機制創建了一種穩定的平衡狀態。如果單個或多個皮層神經元瞬間增大它們的放電率，那麼集群中其他神經元很快會產生一個相等的鏡像減量，這樣大腦整體的能量預算便能長期保持恆定。

原則10：神經元規模效應原則

當皮層神經元集群的大小超過一定數量時，神經元集群所攜帶的信息量就會趨近於它的最大信息容量。源於大量神經元集群的預測，在統計上的差異會大幅度減少，這就體現出了規模效應。神經元規模效應原則是解釋單個神經元放電非常高的差異性如何最終被消除的一種可能方法。單個神經元的貢獻被平均分散到大的神經元集群中，這樣，單個神經元便在執行某種行為的過程中與神經元集群發生了某種功能上的聯繫。

假設1：相對性大腦假設

當用新方法獲得有關周圍世界的統計信息時，被試的大腦傾向於同化這些統計信息以及用以收集這些信息的感官或工具。大腦因此會產生一個有關世界的新模式、對被試身體的新刺激，以及定義個體對現實的知覺和自我感的一套新邊界或新限制。在被試的整個生命中，這種新的大腦模式還會繼續接受檢驗和重塑。由於大腦消耗的總能量以及神經元放電的最大速度都固定不變，因此就這些限制而言，我們必須將神經元的空間與時間視為相對的。

假設2：神經元時空連續體假設

從生理學的觀點來看，這一假設與20世紀皮層神經解剖學的經典原則正好相反。皮層區域間並不存在絕對的或固定的空間界限，這些界限決定或限制了大腦皮層的功能性活動。相反，我們應該把大腦皮層設想為一個強大但有限的神經元時空連續體。在這個連續體中，被「徵用」的神經元時空部分基於一系列的限制，被分別配置給一些功能和行為，或者產生了這些功能和行為。這些限制包括物種的進化史、基因及早期發展所決定的大腦布局、大腦內在的動態狀態、其他身體局限、任務背景、大腦可以使用的能量總數以及神經元放電的最大速度。

固定能量預算限制、身體限制

大腦在某個時刻只會產生有限數量的動作電位，以表徵特定類型的信息。還存在許多其他類似的生物限制因素。這意味著，儘管大腦實現了很了不起的功績，但人類大腦在能夠做什麼以及怎麼做的方式上，都存在著特定的局限。這些局限定義了大腦能夠加工的原始信息的類型和數量，以及能夠產生的思維、邏輯及行為的多樣性。在這種背景中，與絕對真理相反的觀念，比如海森堡的不確定性原理，以及哥德爾的不完全定理所引發的類似觀點，也許主要指的是人類大腦存在著無法逾越的界限，這是靈長類頭腦永遠無法理解的領域。