《脑机穿越：脑机接口改变人类未来》读后感6000字
the moment i opened this book, a question popped into my mind:
is Avatar really possible? for the brain to control a existence OUTSIDE the body directly BY THINKING?!
back ground info::
Author:
Miguel Nicolelis
and his 2013 video, with the title: A monkey that controls a robot with its thoughts. No, really.
fabulous! fan-fucking-tastic!!
(btw, after the video, i just came into one of the coolest ads by Brightline and TED:
)
now, the book…
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[ 分布式 ]
Distributed. (相对应的是 局部式, 或模块式.)
case: 草原上的捕食者(狮子)或被捕食者(羚), 互联网, 区块链, 基金组合, 脑的功能分布, DNA通过蛋白质发生作用, etc.
不把鸡蛋放在一个篮子里 的显而易见的优势是, 当局部受损, 整体功能可以极小甚至完全不受影响.
(于是, 当退行性神经疾病(痴呆症) 症状显现时, 脑神经元必已大量损伤.)
作者将脑比作一个特殊的交响乐团, 能在演奏的同时, 改变乐团的结构.
或许在Nassim Taleb看来, 相对于 Concentrated (集中式), distributed显然是 anti-fragile 的模式.
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[ emergence ]
还原论无法应对 突现/涌现 问题 — 总体不仅仅是局部之和的质变.
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[ 主动 ]
被动: 笛卡尔认为, 脑只是被动的接收外部信息
单向: George Soros也痛批经济学界只关注市场参与者的 认知功能 而忽视其 manipulative function — 即 eflexivity.
被动和单向的模型都是错的.
脑在一刻不停的收集自身以及外部信息, 在已有的连接网络中震荡和反馈, 形成的结果 — 称 思维.
一个外界的刺激, 必然会同时叠加在一个内部的刺激之上, 共同形成放电传递 — 感知 不是被动的客观接收, 而不夹杂已有 预先存在 的影响; 观察(信息的主动收集) 不是客观的, 而是高度主观和 基于经验历史 的.
智能时代 一书认为, 预测 即智能的本质.
脑也在时刻进行预测活动 — 无论有否外界刺激. 只是当外界输入发生时, 脑会将其与并行的 预期 相对比 — 检视. 如差异过大, 则会发出 警讯, 综合在一起则为 不安感. (长期则会引发 抑郁).
脑(不是大脑)的职责包括:
1维持身体机能的正常运转
2建立并存储关于外部世界的 信息 与 模型 (或许以脑的存储结构, 两者是一回事, 虽然它们在人类的字典里不是.)
3主动且不间断的收集信息, 并在反馈网络中叠加已有的模型, 进行预测
以上, 即(生物的) 智能 的核心.
(不难想象, 梦 只是当身体需要休息, (包括触觉和视觉的)输入关闭, 脑却还在运转的必然产物, 而已. 书后面认为, 睡眠是神经元生长的环节, 这解释了为何人类需要大量睡眠, 且婴儿更多, 老人极少.)
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[ 幻肢 phantom limb ]
20世纪初, 美国神经外科医生Penfield经过一系列 开颅皮层刺激询问 实验(大脑无触觉, 癫痫病人开颅后可清醒问答), (并在帮助下) 根据 感受器的密集程度 完成了 小矮人图(hounculus) — 就像是按照GDP比例缩放过的美国地图.
显示: 人类的双手, 口唇舌耳, 比例硕大, 其它部分(比如一些我们本以为会非常敏感的区域)却相对较小 — 这很反直觉.
{i know what the author is getting at, but, maybe we just dont MAKE DECISIONS with our penises.}
幻肢(已经截肢却依然能够清晰感受) 的事实说明, 感受的接收端在脑中, 且并不因为截肢就停止获得感受刺激 — 它在主动侦查感知信息.
全球90%的患者体会过 / 可以是任何摘除器官, 不仅仅是肢体: 包括乳房, 牙齿, 生殖器, 内脏, 子宫(子宫摘除者, 会感受到痛经和宫缩) / 而主动经过变性手术改造为女人者, 不会感到 幻阴茎 — 因为ta们的脑已经变成一个女人.
加拿大伟大的神经生理学家Melzack的新理论神经签名(相对于之前的 神经闸门), 认为:
脑对于自身的控制自有一套完整的建模(physical representation)和感知对应系统 — 神经矩阵 :
1覆盖全身, 2主动搜寻感受, 3(极有可能是)天生即遗传的, 4并非完全不可塑.
即使没有实际器官, 建模和感受依然是完整的 — 这解释了为何部分先天没有肢体的儿童, 也会有患肢– 因为遗传事先分配了相应的皮层. 也解释了一切感受都是主观的.
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<地图可塑性>
~ 猴子在失去中指后, 其对应区域的地图 ( 神经矩阵, 模型-感知对) 也没闲着, 而是被相邻手指所 征用 — 而且训练此2指会加速此过程
~ 失去手臂患者的 神经矩阵, 会被相邻的区域 — 脸 — 征用. 即, 在刺激脸时, 感受到虚幻的手收到刺激.
~ 患肢的疼痛性与可塑性高度相 — 应该是负相关.
~ 麻醉(临时的截肢), 引发神经矩阵重组.
~ VR(中央视觉), 能够瞬间激发神经矩阵的 重新匹配.
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<地图修改 与 虚拟疗法>
理论依据是: 1神经地图可塑, 2主要影响因素是脑内部, 而非真实的外部 — 即, 主观问题主观治.
开始是独创性的 镜箱疗法 (看到一个不存在肢体的影像, 比如镜子中的另一肢), 加强对患肢的控制; 后出现VR方案.
多数病人经过每次几分钟的若干疗程训练, 就能彻底消除患肢症状 — 中央视觉回路 能够修改 神经矩阵 的地图.
(中叶视觉回路 在 主观感受 中或许出于核心地位: 看到身体受伤流血, 会极度放大疼痛的主观感受.)
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[ feedforward / 前馈 ]
前馈是 依托于预测系统 的信号叠加. 与反馈相比, 更及时和有预见性.
一个区域的 触觉表征 是3个主要神经系统交互作用的结果:
1 兴奋性三叉神经丘脑前馈通路, 2 兴奋性皮层丘脑反馈投射, 3丘脑网状核所提供的抑制性输入.
信号在神经元中的传播, 不仅有时间性还有空间性, 两者是不可分割的.
大鼠在 钻洞奖励实验 中, 对胡须刺激信号的反应持续时间与实验外完全不同 — 前者持续兴奋, 后者在一个脉冲后即被抑制.
没有奖励, 就 没有干劲儿 — 聪明的大脑是个懒惰且鸡贼的项目经理, 无法在 没有可预见的好处时 大范围调动神经元网路持续兴奋.
目标(purpose)决定了前馈的资源分配, 重要性和优先级 — 最终影响了主观感受.
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[ 断开 / 内化 ]
如何把机械臂变成身体的一部分?
step0: 让猴子反复玩胳膊(+手柄)参与的动作游戏, 以果汁为奖励
step1: 不断采集有效的皮层放电数据A
step2: 不断采集猴子玩游戏时的胳膊动作数据B
step3: 用算法(或ML)建立从A到B的精准预测C, 直到足够准确
step4: 用机械臂模拟B, 并用C驱动机械臂
step5: 取消手柄, 猴子尝试用神经元放电解决游戏 (这时候还会运动手臂)
step6: 猴子渐渐发现, 单纯的神经元放电(思考), 就可以完成游戏, 而无需手臂动作后, 会取消手臂动作. 此时, 机械臂已经内化为一个身体器官 — 链接完成 (同时胳膊的断链接也完成)
神经元虽然有功能模块的划分(比如触觉感知皮层地图不同区域对应各自身体部位), 但整体的逻辑是分布式及可塑的 — 即其发挥作用取决于整个网络的连接, 亦可重新分配.
其衡量标准是神经元数量对预测准确度的(正相关)函数 — 单个神经元几乎无法预测动作, 10~20个神经元达到6成准确, 60以上接近预测极限8成.
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[ Moonwalk ]
肢体活动的三个基本维度: 时间, 空间, 力度.
principle 6: NDP, Neural Degeneracy Principle / 神经简并原则:
任何复杂的大脑活动, 都是种类繁多, 不同组合的神经元时空模式产生的结果.
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下一个大胆的实验是: 下肢!
即, 让猴子通过BMI(brain-machine-interface)控制一个远在另一个国家的行走机器.
步骤是:
1 让猴子玩跑步机(上肢重心支撑,即 扶着 + 足够的奖励, aka 葡萄干 麦圈) 过程中, 猴子能够看到机械腿的动作.
2 下肢动作采样, 神经数据(数百个神经元, 数千种放电活动) 采样, 建模!
3 算法 +预测
一个挑战是0.25s的数据传输延迟. 不过被一个牛人解决了.
2008年1月, 在NYT记者的见证下, MoonWalk 实验开始..
美国东岸的(体重5.5kg, 身高0.8m的)猕猴伊多亚通过BMI控制者(体重91kg, 身高1.5m的)日本的行走机器人CB-1.
(信号从发出到从日本返回的)延迟只有0.23s, 比伊多亚控制自己的腿还要少!
机器人的一小步, 灵长类的一大步! voila!
随后, 团队关闭了猴子的跑步机!
伊多亚仅通过眼睛看, 和大脑活动在控制日本的行走机器人继续走着!
这是果汁的力量!!
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[ 身体图式 ]
即 大脑对身体所能控制的范围的图景 — 跟自我意识高度关联.
而一系列的硬件控制(工具, 车辆, 飞行器, etc.)则大大扩展了 身体图式 的范畴.
(最早于1911年提出.)
双模式, 即 两种不同的神经体态的交互校准.
身体的整个感受过程, 是肢体的触觉, 和视觉所看到肢体, 的实时前馈, 预测,校准组合.
而当灵长类(实验中的猴子)主动使用工具(比如经过几周训练抓水果的耙子)时, 其 身体图式 扩展到包含了工具的空间 — 一并纳入自我意识.
主动的意思是, 以抓食物为目标的时候, 而非漫无目的的握着工具.
工具同化 被Darwin称为 extended phenotype(延伸的表现型) . 在漫长的进化中, 将各种触觉和工具操控, 与神经算法体系融合为一体, 动态调整 自我表征 / 身体图式 — 此即 自我 之感觉.
自我 是相对的, 一套建立在触觉空间, 空间视觉, 动作计划神经前馈, 操控结果神经反馈, 以及身体图式之上的, 一个综合印象, 是 意识 的 控制势力范围.
章节开篇提到的 可操控飞艇 的发明人杜蒙说, 在拉动缆绳控制飞艇转向的过程中, 仿佛亲身感受到飞艇的动作. 这与许多司机常说的 路感, 单板, 球拍类, 自行车等运动员所经常感受的 人机合一 如出一辙 — 都是 自我感知的延伸 或 工具的内化(进身体图式). 其实两者是一回事, 只要最终纳入神经控制体系.
原则7: 大脑对身体图式(表征)可塑性原则:
大脑对于 身体 与 可控 的边界, 是可以不断(根据需要)调整的.
其本质是 皮层与身体感官区域的对应关联的扩展和重新分配.
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[ 情感 与 社会表征 ]
与工具类似 (或者按照作者看来, 两者是同一种机制), 在发生社会关联时, 会分泌大量催产素.
而在婴儿出生时, 催产素释放和接收被切断, 母则无法与子建立情感绑定.
在伴侣的 匹配 过程中, 从触摸到深入的一系列交互中, dopamine都在持续释放, 催动着 欲望 (而非快感) 以控制我们的行为.
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[ 输入! ]
前面9章(无论是原理解释, 还是猴子控制机器臂实验) 都是在讲 输出.
因为所有的 反馈 无论是通过视觉(眼睛), 还是通过触觉(手指感受位置), 都不得不依赖 身体 及其神经系统 — 而非 直接把信息灌进大脑.
因而作者在提出 大脑-机器界面-大脑 的方案时, 所有的同行都觉得它 太疯狂了 — 神奇, 颠覆, 不可想象.
而最难的就是 输入, 绕过身体.
机器鼠
的研究者 查宾, 并不想 通过植入的电极诱发或抑制一些偶发的身体行为, 而是 通过脉冲引导它完成复杂的任务 — 信息输入!
best part! 长期植入电极的部位是:
1大鼠最发达的 表征胡须的初级躯体感觉皮层区域 2前脑内侧植入一套刺激导线(加强愉悦)
再加上一个接收无线电的 背包.
此机器鼠成为 第一只打破DARPA轨道测试记录 的动物 — 相当于内置了一个作弊接收器, 只不过, 这次并不是至于鞋底或舌苔, 而是直接灌入皮层!
然而, 二元信息太简略了. 问题是, 灵长类能否利用这些简单输入, 做出复杂的动作?
实验发现, 通过向皮层直接发送二元信息的猴子, 开始需要几周, 随后无论怎么改变输入规则, 学习时间总会缩短 — 猴子在学会适应并重视这个新的 输入.
当然, 最快的还是通过 视觉或触觉 这些已经训练有素的神经系统所传递的信息. 不过, 前者很快就能赶上后者的熟练程度 — 只是其 信号关联 需要一个初始的学习期.
因而引出本书的核心: 相对性大脑假设.
RBH (Relativistic Brain Hypothesis):
在获得任何新的关于外界的信息时, 大脑倾向于与已有的 身体图式 同化(内化), 扩展并重塑 身体图式 . 其神经元的时间和空间都是相对的.
而大脑的总能耗基本不变 — 实际上是一种优先级的重新分配.
磁嗅觉
把大鼠的输入从 人类递作弊条 改成 周边信息探测 — 比如磁场探测 — 就赋予老鼠一项新的能力 磁嗅觉.
{这名字是我起的, 作者并没有这么叫. 当然这假设了, 大鼠会把接收到的磁场梯度信息, 与自己的空间图景融合起来.}
光遗传
电刺激并非信息输入的唯一方式. 另一个候选就是光遗传 — 通过感染一种病毒, 会产生某种对光敏感的蛋白质, 而打开(或抑制)信息传递的离子通道(比如Na+, 或Cl-) 产生神经电位.
光遗传的最大好处是, 没有(人造)植入物, 也不会带来大范围损伤 — 侵入式信息接口的最大问题.
以上的各种 输入 尝试, 加上 相对大脑假设 (大脑的可塑性), 最终的结果是: 创造一个全新的器官!
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[ BTB-i 脑机脑界面 ]
事实上 输入 和 输出 并非必须在同一个体上结束 — 单体闭环 — 比如, 两只大鼠.
一只负责 探测 (输入+ 生成图式), 另一只负责 解码+执行任务 (输入 + 使用图式) — 此即 BTB脑机脑界面.
信息分享!
然而, 没有理由认为, 信息的分享只能在两只大鼠之间, 甚至两个灵长类之间传递 — 完全可以是任何形式的 探测 与 解读.
前景不可想象!
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[ 周期 – 睡眠 – 意识 ]
睡眠是记忆固化的关键因素, 也是神经元生长的重要过程!
这解释了为什么婴儿需要大量睡眠, 而老年人几乎不需要睡觉.
大鼠的睡眠周期研究, 分了4个信号采集点, 以及5个场景:
1 平静: 中低频, 低强度的均匀神经活动
2 主动探索: 高频的, 低强度均匀神经活动
3 胡须抽动: 高频的, 变强度神经活动
4 慢波睡眠(深度): 超低频, 高强度神经活动
5 REM(快速眼动, 即做梦): 与2很相似
事实上, 5不是如灵长类的快速眼动, 而是快速胡须抽动 — 可见胡须作为信息的输入重要性堪比眼之于人.
{我查了一下 梦游, 发现, 在人类梦游时, 眼睛是半开或全睁着的. 就是说, 视觉输入在梦游者的空间探索中, 是发挥作用的. 虽然并没有受到 最高层 意识的控制. }
基于两个比率, 研究团队(包含一个台湾小子) 把各个状态画成3D可视化, 称 状态空间 — 出现了一个 尼斯湖水怪 形状.
对于猴子(甚至人, 如果将来有数据) 都是大体如此. — 只不过人不会有 快速须动 数据.
对于大鼠来说, 其状态之间的 游走 路径是十分僵化的, 不能任意跳转, 而是有固定路线.
(比如, 无法从1直接进入5, 也无法从2直接进入4.)
而从一个状态过渡到另一个状态, 有时会 失败. 其主要原因是 (各个采样点的) pooled coherence 合并一致性 没有达到某个阈值.
内部信号是一个永不停歇的震荡波 (即使是在慢波睡眠中). 当内部信号与外部信号相遇叠加产生反应(预测, 反馈, 行动指令) 时, 才是 意识 存在的表征.
相同的外部刺激, 会因为不同的 内部信号状态 产生完全不同的反应结果.
大脑主动探索状态得到的刺激, 与被动接受时形成的结果信息, 截然不同 — 动机决定结果!
(比如, 主动舔舐, 和被别人喂送到嘴里, 主观感受到的味道是截然不同的.)
甚至具体来说, 对于相同的外部刺激, 在不同的内部状态下, 会 征调 的脑区资源是不同的 — 主观重视 程度, 参与决策的 董事会 数量, 等.
作为内部信号的 1经验,记忆, 和 2当前意图, 都会决定同样外部刺激 所带来的主观感受.
尤其是1, 控制着大部分前脑中的 预期信号 — 在遇到外界刺激之前.
原则8: Context Principle (背景原则)
大脑作为一个整体进行反应, 决定于 内在状态 与 外界信号 的碰撞叠加. 最终形成了 主观感受 — 而并没有什么客观的, 脱离主观的 真实.
无论何种放电模式, 其 放电总量 是守恒的 — 受限于神经元放电的 不应期 (神经递质或离子重新移动充电).
这个生物物理极限, 决定了整个大脑在获得的全部放电功率.
(这解释了在警惕时的高频低强度, 以及慢波睡眠时的低频高强度.)
同样, 不同麻醉剂会扭曲 尼斯湖水怪, 有的会让水怪整体崩溃, 有的则会关闭一些状态, 而将神经活动 局部化 或 集中化 — 就像酒精会关闭一些脑区域, 却将神经活动逼向(集中于)局部, 产生更强烈的脑活动.
原则9: conservation of neural ensemble firing principle (神经元集群放电保存原则)
简单讲, 就是整体放电功率接近恒定(不仅仅是上限) — 局部的突增加, 会在其它区域造成镜像的赤字.
原则10: neuronal mass effect principle (神经元规模效应原则)
神经元集群, 是整体在发挥作用. (而非局部甚至个体.)
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[ 征用 ]
大脑的功能区域是相对的, 可塑的, 而非绝对的.
比如, 熟练盲文的盲人, 在阅读时, 其活跃的是通常的 视觉初级皮层. 同时也可以在实验中通过电刺激干扰.
说明, 当视觉皮层被 闲置, 而触觉(或听觉)又至关重要时, 会对其 征用.
称: cross-modal recruitment (跨感觉通道重组).
重新征用, 需要多久?
Boston Univ.的一项实验中显示, 被试眼睛被遮住90分钟, 完成触觉任务, 即会开启初级视觉皮层.
可见这个改变既不是永久的, 更不是 预先被基因划片儿 的.
{我认为, 可能重组征用是依据某些 框架 的, 比如 空间建模.. but thats just personal hypothesis.}
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so what is the brain?
在作者求学的时代, 学生被鼓励的方向是成为某一个脑功能的专家, 而非从全局思考; 即使是大咖Marvin Minsky(及其著作 心智社会, 微读上没有, 我碰巧有本实体书) 也被作者认为是 不那么关心真实的大脑.
what is it exactly? how does it work?
作者称之为 许多神经元时间波汇聚在一起, 并能记住穿过它神秘灰色水域所有事物的 神秘海洋.
它是被约束的, 并发的, 分布式的, 基于记忆的, 有目的和前馈的, 永不停歇在收集感知并预测, 迭代的, 可塑性极强的, 一坨神经网络团.
大脑是一种 媒介 , 在其中, 神经元的时间与空间融合成为一个 生理时空连续体 (physiological space-time continuum). 当执行任务时, 可以被以各种方式被征用(有时是长期, 更多是合约制 即 可塑的) — 就像一个资源的hub.
作者以Einstein的相对性作为类比, 以描述大脑区域随时重新分配的 可塑性.
同样, 大脑是受限的, 因其是在进化中的无数约束中产生的.
1尺寸受限于孕育和分娩 2总能耗和放电功率受限于尺寸, 资源, 氧气, 生物电化学, etc. — fixed energy budget constraint
大脑就像是一个 由几十亿个球员组成的球队, 共同磨合数十载, 于是能协同完成一系列 不可能的任务. 之所以称 球队, 是因为其共同的目标. 对于大脑来说: 生存 — 这是一切 闭环智能 得以迭代进化的前提.
Purpose!!
诚然, 对于 输入 的探索, 目前远没有达到想象力的极限. 但它已经打开了一扇通向无限可能性的大门.
作者的研究团队, 伟大之处不仅仅是创造了前无古人的 BTB(脑机脑)接口实验, 更提供了一套理论框架– 包括 尼斯湖怪兽 可视化在内, 可供后续的研究者们以此为基础深入探索.
本书反复强调其核心观点 分布式, 罗嗦么? 或许未必. 因其历史负担和重要性, 也颇合理.
加之文笔流畅华美, 穿插的故事扣人心弦. 圣贤庸渣, 此作中圣, 当之无愧!
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[啤酒]