第三章　人脑

The Human Brain

为什么大脑与人工智能及神经网络的程序如此不同？是什么使大脑的结构如此独特？而这种独特性又意味着什么？在下面几章我们可以看到，大脑的构造为以上问题提供了答案，它告诉我们大脑到底是如何工作的，为什么与计算机如此不同。

我们来看看这个器官。假设大脑放在桌子上，我们正在解剖它。首先引起我们注意的是，大脑在外表上几乎完全一致——粉灰色，就像一个表面光滑的花椰菜，中间夹杂着无数的高脊和沟壑，被称为“脑回”和“回间沟”。那个摸上去软软的、黏糊糊的部分就是新大脑皮层。它是一层薄薄的神经组织，紧紧地将大脑的其他部分包裹起来。我们的重点会集中在新大脑皮层上，因为我们所知的与智能有关的内容，如感知、语言、想像力、数学、艺术、音乐以及筹划等等，都发生在这里。此时此刻，是你的新大脑皮层在阅读这本书。

我必须承认我是一个新大脑皮层至上主义者。我知道会有许多人反对我的观点。那么，请给我1分钟，趁着还没有离题太远，让我解释一下。对于大脑的每一部分都有专门研究的科学家，如果我说通过解读新大脑皮层就可以了解智能的本质，一定会激起反对者的一片抗议之声。他们会说：“如果不首先理解大脑中某某区域的话，你是不大可能弄明白新大脑皮层的，因为它与新大脑皮层是如此密不可分，我们需要这个区域来完成某某工作。”诚然，对此我并无异议。大脑包括多个部分，其中绝大部分对人类来说至关重要。（奇怪的是，小脑是个例外。虽然它的神经细胞最多，但如果你天生就没有小脑或小脑受到损伤，你仍然可以过基本正常的生活。而大脑的其他部位却不是这样，它们是生命基本感知的必备。）

与此相对的立场是，我对造人并不感兴趣，我想做的是了解智能和建造智能机器。造一个人和拥有智能完全是两码事儿。一台智能机器不需要有性欲、饥饿感，也不必有脉搏、肌肉、情感或与人一样的躯体。人不仅仅是一台智能机器，我们既具备生物体所有必需的条件，也不乏千百年来进化过程中留下的冗余之物。如果你想制造一台模仿人类行为的智能机器，也就是说，在各个方面超越图灵机的话，你必须创造出那些作为人所必需的其他因素。下面你将看到，如果要制造出一台与人不完全相同的智能机器，我们只需关注大脑中与智能有关的部位即可。

有人会对这个看法心存异议，而我要说明的是，我也认为大脑的其他部位，如脑干、基底神经节（basal ganglia）和杏仁核（amygdala）等对于人类新大脑皮层的功能至关重要，这一点毫无疑问；但我希望你能够接受这样的观点：所有的智能都产生于新大脑皮层，并且另外两个部位——丘脑和海马，也发挥了重要作用。对于这两个部位，我会在以后作进一步讨论，因为从长远来看，我们需要了解大脑各个部分的功能和作用，但我相信这一切将会在完整的新大脑皮层理论的基础上得以完美地解决。这就是我的两点看法。现在，让我们重新回来审视新大脑皮层，或是简称它为大脑皮层。

拿出6张名片或扑克牌，将它们垒成一叠，作为一个大脑皮层的模型。（这样做比凭空想像要好得多。）6张名片大约有2毫米厚，可以帮助我们感觉一下大脑皮层的厚度。大脑皮层像你手中的名片一样，也是2毫米厚，分为6层，每一层的厚度大约相当于1张名片。

如果完全展开，人类的大脑皮层大约相当于一张大餐巾的大小。其他哺乳动物的要小一些：老鼠的有1张邮票大；猴子的大约相当于一个商业信封。撇开大小不说，它们的大脑皮层也像你手中的名片一样分为6层。人类之所以更聪明，是因为我们的大脑皮层相对于体型来说更大，而不是因为它更厚或含有某种特殊的“聪明”细胞。这个大小相当关键，因为它正好将大脑的大部分包裹起来。为了和这个较大的大脑相匹配，大自然必须改变我们人体的结构，于是女人就有了一个可以分娩出大头婴儿的骨盆。这一特征被古人类学家认为是与两腿直立行走能力共同进化的结果。然而这还不够，大脑皮层又进一步进化成折叠的状态，被塞进颅骨里，就像一团塞进白兰地酒杯的纸团。

你的大脑皮层中遍布神经细胞，也叫神经元，它们紧紧排列，没有人能说出准确的数目。在你手中的一沓名片上画一个边长1毫米的方块，就可以找出大约10万个神经元所处的位置。你能数出这么小的方框中的数字吗？几乎不可能。但仍然有一些解剖学家估计人类大脑皮层中包含大约300亿个神经元，但我觉得，即使这一数字再大上很多或小上很多，也不会有人对此表示惊讶。

那300亿个细胞就组成了你的大脑。它们构成了你的记忆、知识、技能，并帮你积累生活经验。尽管对大脑研究了25年，我仍然对此惊讶不已。是这样一层薄薄的细胞让我们去看、去感觉，并形成对世界的看法，这真是不可思议。夏日的温暖和对美好世界的憧憬都是由这些细胞创造出来的。曾经在《科学美国人》发表文章的弗朗西斯·克瑞克在许多年后又写了一本关于大脑的书——《惊人的假设》（The Astonishing Hypothesis）。所谓惊人的假设，是指我们的思想就是大脑细胞的产物，没有魔力，也没有特殊的浆汁，思想就是由神经元和闪动的信息流构成的。我真希望你们能够感受到这一点是多么奇妙。尽管在哲学范畴中，细胞群和意识经验之间存在着巨大的差异，但思想和大脑却是统一的。克瑞克称之为假说，他是正确的。事实上，思想是由大脑细胞创造出来，这并不是假说。我们需要弄清楚的是这300亿个细胞到底做了什么、是如何做的。所幸的是，大脑皮层并不是一团乱七八糟的细胞，我们可以深入研究它的结构，以期发现它是如何创造出人类思想的。

让我们回到解剖台，再仔细看看大脑这个器官。用肉眼观察，大脑皮层上几乎没有任何标记；更确切地说，只有一个将大脑分为左、右两个半球的裂纹和一个将大脑分成前、后两个区域的回间沟。无论从左向右，还是从后向前，这个回旋的表面看上去十分相似，没有明显的界限，也没有任何颜色印记区分哪里是感觉信息区域、哪里是思维区域。

然而，人们早在很久以前就知道，它的内部是有区域界限的，甚至在神经科学家认识到任何有助于大脑皮层回路发挥作用的东西之前，他们就意识到某些心理功能是固定在一定的区域里的。如果脑中风损坏了某人的右脑顶叶，他就会失去知觉，甚至整个左侧身体失去知觉，对身体左侧的空间也没有任何感觉。如果中风发生在左前脑的布洛卡（Broca）区，他就会丧失使用语法的功能，而同时他的词汇和理解词汇的能力却不会有任何改变。如果纺锤状脑回发生中风，他就不再拥有辨别面孔的能力——就不能认出自己的妈妈和孩子，甚至连照片上自己的面孔也会变得陌生。这些奇特的功能紊乱，使早期的神经学家意识到大脑皮层包含许多不同的功能区。

上个世纪，我们对大脑功能区的了解取得了很大进展，但仍然存在许多未解之谜。每一个功能区都是半独立的，主管感觉和思维的某一个方面。这些区域的分布就像百纳被上的图案，毫无规则可言，但是每个人之间的差别却是微乎其微的。这些功能之间没有明确的界限，是按照树枝状等级排列的。

认识这种层级结构至关重要，因此我想多花些时间对它做一解释，而且我会在整本书中多次提及它。在一个层级结构中，某些元素凌驾于其他元素之上，或是屈居其下，这个概念是绝对的。在职务阶层系统中，邮局中层经理居于办事员之上、副总裁之下，这与身体所处的位置没有任何关系，纵使经理所在的楼层比办事员的低，从阶层上看，他仍然高于办事员。我强调这一点是为了帮助大家理解大脑的某个功能区与另一个功能区之间高低阶层的含义。这种阶层的高低和它们在大脑上所处的位置无关。大脑皮层的所有功能区都分布在回旋的脑皮层上，决定它们之间“高与低”的关键在于相互之间的连接。在大脑皮层中，低级区域通过某种特定的神经连接方式向高级区域传输信息；而高级区域用另一种方式向低级区域反馈信息。处于不同支系的各个区域之间还存在着连接，就像是中层经理与另一地区同级别的办公室的经理存在联系一样。科学家丹尼尔·福尔曼（Daniel Felleman）和大卫·范艾森（David van Essen）已经绘制出了详细的猴脑皮层图，从图上可以看出许多区域在一个复杂的层级结构中相互联系。由此我们可以假设，人类大脑皮层也有这样类似的层级结构。

低级感知区是最低的功能区，也是感知信息最先到达的大脑皮层区域，它所处理的是最原始、最基本的信息。例如：视觉通过被称为V1区的主感知区进入大脑皮层，V1区感觉到的是最低级的视觉特性，如尖状物、运动的小幅变化、双眼之间的差异（对立体影像而言）、基本的颜色以及对比信息。V1区将这些特性向上传给V4区和IT区（对此我会在后面谈到）以及其他一系列的区域。每一个区域都与这些信息中的某个更专业化、更抽象的方面相联系。例如：V4区中的细胞会对中等复杂的物体，如红色或蓝色的星状物体等做出反应；另一个被称为MT区的区域，专门与物体的运动发生关系。那些显示各种物体，如面孔、动物、工具、身体部位等的视觉记忆区，处在大脑视觉皮层的较高层级。

你的其他感觉也有相似的层级结构。大脑皮层上有一个被称为A1区的低级听觉区和更高级的听觉层级结构，以及一个被称为S1区的低级体觉（身体的感觉）区和更高级的体觉层级结构。某些大脑皮层区域，被称为“联合区”，它们可以接收来自多种感觉的输入信息，如来自视觉和触觉的输入信息；最终，感觉信息会传入“联合区”。正因为有了“联合区”，你才能将痒痒的感觉和手臂上爬动的苍蝇联系在一起。大部分这样的区域接收到的是由各种感觉传来的经过处理的输入信息，但它们的功能如何仍是一个谜。以后我还会进一步探讨大脑皮层的层级结构。

大脑前叶还有几个区域专管运动输出。大脑皮层的运动系统也有层级之分，其中最低级的M1区向脊髓传送指令并直接控制肌肉的活动，高级区域向M1区传输复杂的运动命令。运动区和感觉区的层级结构非常相似，似乎是用同样的方式组成的。一般我们认为，运动区的信息是从层级结构向下传输到M1区并驱动肌肉的，而感觉区的信息是向上传到层级结构的。然而事实上，这些信息的传输方向是一致的——在感觉区看来反馈的就是运动区的输出，反之亦然。

大多数对大脑的描述都以流程图作为基础，而这些流程图反映出来的对层级结构的看法极其简单。它们认为，输入信息（如影像、声音和触觉）从低级感觉区进入，经过处理后传输到高级的层级结构，然后又经过联合区，进入脑皮层前叶，最后传回到运动区。我并不认为这种看法完全错误。当你大声朗读时，视觉信息进入到V1区，并传入联合区；然后，向前部的运动皮层传输，致使你的嘴部、喉部的肌肉发出声音。但这并不全面，事实没有这么简单。在这种过于简单化的看法中，我要提出的反对意见是，整个过程通常被认为信息好像是单向传输的，就像在工厂单向传动的流水线上装配一个小装置。事实上，大脑皮层的信息也会反向传输，产生的向下投射要比向上的多。当你朗读时，高级区域向低级的视觉皮层传输的信号要比你的眼睛从书本上接收到的信号多得多。在以后的章节里，我会谈到这些反馈投射的作用，但现在，我希望大家能注意到这个事实：尽管向上的层级结构是真实的，我们同时也必须避免这样的想法，即所有的信息流都是单向的。

再回到解剖台。假设我们有一台功能强大的显微镜，切下一层薄薄的大脑皮层，给细胞着色后，通过显微镜观察它。如果我们将切片的所有细胞都着色的话，因为细胞排列相当紧密，我们会看到黑糊糊的一团。但如果用着色剂给一小部分细胞染色的话，我们就会看到上面提到的大脑皮层的6个层次，每一个层次的细胞密度、细胞形态和它们之间的连接都是有变化的。

神经元拥有共同的特性。从形态上看，它们正如你想像的那样是圆形的；除此之外，还有一些树枝状的结构，称为轴突和树突。当一个细胞的轴突接触到另一个细胞的树突时，就会形成一些连接，叫做“神经突触（synapsis）”。一个细胞产生的神经冲动对另一个细胞的行为造成的影响就发生在这里。当一个动作电位（action potentials）到达突触后，接受细胞很有可能产生动作电位；但一些突触也有相反的作用，反而使得接收细胞产生动作电位的可能性变小。突触的强度可以根据两个细胞的行为而发生变化。当两个神经元几乎同时产生动作电位时，它们之间的连接力度就会被加强，这是最简单的突触强度变化，被称为海布学习法则（Hebbian learning）。对此我会进一步讨论。除了突触强度的变化之外，有证据表明，两个新的神经元之间可以形成全新的突触。这种现象随时都会发生，但科学家的证据却存在争议。撇开这一点不谈，有一点是确定无疑的，即突触的形成和强度正是促成记忆存储的关键。

大脑皮层由众多神经元构成，其中最大的一类是金字塔形神经元，顾名思义，它的形状近似金字塔，占到总细胞数的4/5。大脑皮层6层结构中，最上层有长达几千米的轴突区几乎没有细胞。除了这一层以外，其他的五层中都有金字塔形神经元，它们与离自己最近的其他神经元相连，并伸出长长的轴突，向旁边的大脑皮层区延伸，甚至可到达较低的大脑结构——丘脑。

一个标准的金字塔形细胞有几千个突触，它们的密度极大且个体极小，因而确切的数字不得而知，而且具体数字也因所在细胞、皮层及区域的不同而有所变化。如果保守地估算一下，一个普通金字塔细胞有1000个突触（实际上这个数字应该接近5000～10000），那么大脑皮层中就会有大约30兆个突触，这个天文数字远远超出了我们直觉可以理解的范围。显然，这足够你用来存储一辈子学到的东西。

据传说，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）曾经说过，广义相对论的理论构想并不复杂，简直可以说是易如反掌。下面的观察结果能够自然得出这个结论，即：纵使观察者以不同的速度移动，对他们来说光速都是不变的。这与我们的直觉是相反的，就好像在说，一个人投球，无论他用多大的力气，无论投球的速度和对球的观察有多快，被投出的球的运动速度都是一样的。无论在任何情况下，任何人看到的球的飞行速度相对于他们来说都是相同的。事实似乎不是这样。但对光来说，这一点被证明是正确的。就此，爱因斯坦很巧妙地提出了一个疑问：这一怪诞事实所产生的结果到底是什么？对于恒定光速的意义，经过周密的思考之后，他得出了一个关于广义相对性的更加怪诞的预言，即：当你的运动速度加快时，时间就会变慢，此时能量和质量基本成为一体。各种有关相对论的书籍引用了火车、子弹、闪光灯等生活事例粗略地解释了这种推理方式，其理论并不复杂，但却与直觉相反。

神经科学方面有一个类似的发现，这一有关大脑皮层的事实如此惊人，以至于一些神经科学家不相信其真实性，而另外一些人却干脆置之不理，因为他们不知这到底有什么用处。然而它却是一个极其重要的事实。认真研究它的含义，如果方法得当，就可以帮助我们揭示大脑皮层的作用及其工作原理。这个惊人的事实存在于大脑皮层本身的结构中，但却需要与众不同的、富有洞察力的头脑去发现它。拥有这种头脑的人就是位于巴尔的摩的约翰霍普金斯大学的神经科学家弗农·蒙卡斯尔（Vernon Mountcastle）。1978年，他发表一篇题为《大脑功能的组织原则》（An Organizing Principle for Cerebral Function）的论文。文章指出，大脑皮层在外表和结构上惊人地相似，不论是主管视觉输入和主管触觉的大脑皮层区域、控制肌肉的区域、布洛卡语言区以及其他各个区域，实际上是完全一样的。他还暗示说，既然这些区域是相同的，那么它们在实际中所发挥的基本作用也可能是相同的，而且大脑皮层完成各个功能所使用的方法也是相同的。

在蒙卡斯尔时期以及之前的几十年中，解剖学家就已经意识到大脑皮层的各个部分看上去十分相似，这是毋庸置疑的事实。但那时他们并没有深究此项发现的意义，而是花费大量的时间去寻找它们之间的不同之处，而且也确实找到了。他们想当然地认为：如果一个区域主管语言，另一个区域主管视觉，那么它们之间肯定存在差异，只要你努力，就一定能找到这些差异；大脑皮层的各个区域在厚度、细胞密度、细胞形态的相对比例、横向连接的长度以及突触密度等方面都有所不同，而且很难被发现。低级视觉区V1区是他们研究最多的区域之一，其中一层就存在着一些额外的分界线。这一状况与19世纪中期的生物学家们面临的工作有几分类似：他们花费大量时间来寻找物种之间的细微差别，结果唯一的发现是两种外表几乎相同的老鼠属于不同物种。许多年中，达尔文在研究软体动物时也选择了同样的道路，但他最终醒悟了，并发出了这样的感叹：所有这些物种竟然如此相似！真正令人惊讶和感兴趣的不是物种们之间的差别，而是它们的相似性。

蒙卡斯尔也做了类似的观察。在解剖学家们找寻大脑功能区域的细微差别之时，他证明了大脑皮层尽管有差异，其相似之处才是惊人的。就像你手中的6张名片一样，它们的层数相同、细胞种类相同，甚至连接也相同，其中的差异之细微连神经学家也无法对此达成共识。因此，蒙卡斯尔说，大脑皮层所有的区域功能相同，而视觉区域之所以能“看见”、运动区域之所以能使肌肉运动，都是由这些区域之间或与中央神经系统的其他部分之间的连接决定的。

实际上，蒙卡斯尔所说的大脑皮层区域之间的微小差异正是它们之间连接的差异，而不是基本功能的差异。他总结说，所有大脑皮层的功能区域都遵循一个共同的算法，视觉、听觉、甚至运动输出之间没有任何差异。他还认为，大脑皮层的连接方式是由基因决定的，这正是功能和物种的独特之处，而脑皮层组织本身在各个区域都担负着相同的作用。

让我们再斟酌一下。我感觉视觉、听觉和触觉是完全不同的，它们有着迥异的基本特性。视觉跟颜色、质地、形状、深度以及轮廓有关；听觉则包括音高、节奏和音质。它们看上去如此风马牛不相及，怎么可能一样呢？蒙卡斯尔说，它们不一样，但大脑皮层处理从耳朵和眼睛传来的信号时，方法是相同的，而且，运动控制系统的工作原理也是同样的。

大多数科学家和工程师都忽略了，或者说故意忽略了蒙卡斯尔的观点。他们想研究视觉，让计算机也能“看见”，但他们只是在一些特殊的视觉词汇和技术上下功夫，满口“边缘”“质地”“三维立体显示”等专业名词。如果他们想要研究口语，就会建立一个以语法规则、句法和语义学为基础的规则系统。但如果蒙卡斯尔的观点是正确的，这些方式都将失败，因为它们与大脑解决问题的方式完全不同。如果蒙卡斯尔的观点是正确的，大脑皮层的算法必须独立于其他特殊功能和感知。大脑用同样的方式去“看”、去“听”，大脑皮层的作用具有普遍性，适用于任何一种感觉或运动系统。

当我第一次读到蒙卡斯尔的论文时，激动得差点从椅子上跌下来。它正是帮助我们解读神经科学的罗塞塔石碑（罗塞塔石碑是1799年在埃及的罗塞塔镇附近发现的古埃及石碑，其碑文用古埃及象形文字和通俗文字以及希腊文字刻成；该石碑的发现为解读古埃及象形文字提供了很大帮助。罗塞塔石碑用以指那些有助于理解疑难问题的事物。——译者注）——仅仅一篇论文和一个观点就将有关人脑的形形色色的奇特功能连接了起来，而且它们的算法是统一的。它轻而易举地证明了，以往那种将人类行为作为不同功能进行理解和构想的尝试是错误的。我多么希望大家能体会到蒙卡斯尔观点的简洁与彻底。最棒的科学观点往往是简洁、彻底且不同凡响，而这一观点就是其中之一。我认为它曾是，也将一直是神经科学界最重要的一个发现。然而，令人难以置信的是，大多数的科学家和工程师要么是拒绝相信它，要么是置之不理。

这种漠视的态度部分原因是缺乏研究工具。我们没有合适的仪器来探究信息是如何在6层大脑皮层中传播的，现有的仪器只能进行一些粗糙的试验，通常是以确定各种功能在大脑皮层中出现的位置为试验目标，而不是确定其时间和方式。例如，最近在大众媒体上发表的神经科学论文就明确支持这样的观点，认为大脑是一个高度专业化的单元集合。像核磁共振成像（MRI）和全身骨扫描显像（PET）等功能造影技术，无一例外地将研究的重点集中在前面提到过的大脑功能区和分布图上。在这些试验中，志愿受试者将头伸进扫描仪，躺着完成一些心理活动和运动任务，如玩电子游戏、进行动词变位、读句子、看不同的脸孔、指认图片、想像、记忆一连串的东西、做财务判定等等。扫描仪可以监测出完成这些任务时大脑的哪些部分更加活跃，并在受试者的大脑影像图上将这些区域涂上颜色标示出来，由此就可以推断出这些区域就是任务的中心。这种功能造影实验做了上千次，以后还会再做上千次。由此，我们逐步对于某些功能在正常成人大脑中发生的位置有了了解，并可以毫不费力地说出：这是面孔辨认区，这是数学区，这是音乐区，等等。我们不知道大脑是如何完成这些工作的，因此就想当然地推测出，大脑在用不同方式进行各种活动。

事实的确如此吗？有越来越多的有力证据支持蒙卡斯尔的理论，一些最好的事例也证明了大脑皮层具有极强的灵活性和可塑性。如果营养合理、所处环境良好，任何一个人脑可以学会几千种口语中的任何一种，同时还能学会符号语言、书面语言、音乐语言、数学语言、计算机语言和肢体语言，等等。它能学会适应北方地区的寒冷，也能在炎热的沙漠地区生活。它可以成为象棋高手，钓鱼或种庄稼的好手，也能成为理论物理的专家。试想，你大脑中小小的视觉区域似乎专门处理手写的字母和数字，难道这就意味着你的大脑天生就具有处理文字和数字的语言区吗？不可能！书面语言是我们的基因最新形成的一种特别进化机制，因此，早在孩提时期，大脑皮层就分化成不同的特殊任务功能区域，其分化基础是经验。人脑学习和适应不同环境的能力之强令人难以置信，而这些能力是在最近的时期才形成的。这一点就证明它极具灵活性，而不是所谓问题与解决方法一一对应的系统。

神经科学家还发现，大脑皮层的回路具有令人惊异的可塑性，也就是说，它可以根据流经的输入信息的类型进行改变和重组。例如，刚出生的雪貂的大脑经过手术重新连接后，它的眼睛可以将信号传输到本应是听觉发育的大脑皮层区。其结果令人惊讶，雪貂大脑中的听觉区就形成了视觉传输途径，也就是说，它们看东西时使用的大脑组织本应是用来听声音的。科学家也对其他知觉和大脑区域做了类似的试验。例如，在老鼠刚出生时将几块视觉大脑皮层移植到它的触觉区域，当它发育成熟后，被移植的组织处理的是触觉而不是视觉信息。可见，细胞在形成之初并没有专门从事触觉、视觉或听觉的区分。

人类大脑也具有同样的可塑性。先天耳聋的成年人，视觉信号的处理通常发生在处理听觉信息的区域。先天性盲人在阅读布莱叶（braille）盲文时，通常使用大脑皮层后部的一个区域，而这个区域通常是主管视觉的。阅读布莱叶盲文时需要触觉，你可能会认为它主要激活的是触觉区——但很明显，任何大脑皮层区域都不会无所作为。当视觉区没能收到“本应”从眼睛传来的信息，就会设法从其他皮层区域寻找其他形式的输入并使其通过。(www.daowen.com)

这一切都说明，大脑各区域是根据传入的信息种类而发展出专门的功能。大脑皮层并不是严格地运用不同的算法完成不同的功能的，正如目前地球上各个国家区域的划分并不是先天注定的。和地球上的政治地理一样，假如在早期设定一个不同的环境，你的大脑皮层也可能会与今天的情况完全不同。

基因决定了大脑皮层的整个建构，包括各个区域之间相互连接的具体细节，但在此结构的内部，系统却具有极大的灵活性。

蒙卡斯尔是正确的。不同的大脑皮层区域有着一个相同的、强大的通用算法，如果将这些区域按照合适的层级结构连接起来并输入信息流，它就能学会了解周围的环境。因此，未来的智能机器不必具有和我们人类相同的直觉和能力。如果在一张人造机器皮层上用新的方法将大脑皮层的算法调动起来，使其具有新的知觉，那么，具有灵活性的真正智能就出现了，它不依赖我们的生物大脑。

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下面要谈到的话题与蒙卡斯尔的理论有关，同样会令你惊讶不已，那就是：进入你大脑皮层的输入信息是基本相同的。你也许认为你的各种知觉是完全不同、完全独立的，毕竟，声音是通过空气传播的压缩震动波，影像以光的形式传播，而触觉是对皮肤的一种压力。声音似乎是时间的，影像主要是形象化的，而触觉主要是空间的。怎么能将山羊的咩咩叫声和一个苹果的样子以及触摸篮球的感觉相提并论呢？还有什么比这差别更大？

让我们仔细分析一下。从外部世界传来的视觉信息通过上百万根视觉神经纤维传入大脑，快速通过丘脑之后，这些信息进入到基本视觉大脑皮层。声音是由听觉神经的3万根纤维传输的，经过一些较古老的大脑部位后，进入基本听觉皮层。触觉和内部感知信息是通过另外上百万根神经纤维由脊髓传输的，最终由基本体觉皮层接收。这就是你的大脑接收到的主要信息，也是你对整个世界的感知。

你可以将这些输入看作一束电线或一束光纤。你也许见过由光纤制成的灯，每一根光纤的顶端都可以发出有颜色的光。输入大脑的信息与此很相近，但它们不叫“光纤”，而被称为“轴突”；它们承载的神经信号被称为“动作电位”或“电脉冲（spikes）”，同时具有化学特性和电子特性。虽然这些信号来自不同的感觉器官，一旦转化成由大脑控制的动作电位，它们就变成了完全相同的模式。

当你看到一只狗，一组模式就通过你的神经纤维传入大脑皮层的视觉区域；当你听到狗的叫声，另一组模式就通过听觉神经进入大脑的听觉区域；当你轻轻拍打狗时，一组触觉模式就会通过你的手，经由脊柱的纤维进入大脑专管触觉的部位。看到狗、听狗叫、触摸狗——这些模式的感觉不同，因为它们进入大脑皮层层级结构的途径不同，而真正起作用的是这些信息在大脑中的传输去向。但从知觉输入的抽象层面上来看，它们是基本相同的，都是由6层大脑皮层用相似的方式进行处理的。你能听到声音、看到光、感觉到皮肤上的压力，但在大脑内部，这些信息之间并不存在根本差异。动作电位只是动作电位而已，不论源自哪里，这些瞬间的动作电位是完全相同的。你的大脑所知道的只有模式。

你对世界的认识和有关世界的知识都来自于这些模式。你的头脑中没有光，只有漆黑一片；也没有声音进入你的大脑，那里一派宁静。事实上，大脑只是你身体的一个部分，它本身没有任何感觉；外科医生可以将手指伸进去，而你却毫无察觉。你头脑中的所有信息都是作为轴突上的空间-时间模式进入的。

何为“空间-时间模式”？让我们看看人类的主要知觉：

视觉承载的是空间和时间信息，所有的空间模式与时间契合，它们形成于同一感官的不同感受器同时受到刺激之时。对视觉来说，视网膜是感觉器官。当一个影像进入瞳孔，晶状体将其翻转，投射到视网膜上，然后传递给大脑。人们一般认为进入视觉区域的是一个颠倒的小图像，而实际没有任何图像，因为所谓影像从根本上说是一些以某种模式激活的电子动作。大脑皮层对这些信息进行处理，使它们在不同区域之间的各个模式成分中传递、筛选和过滤，在这一过程中，这些信息的影像特征很快就丧失殆尽了。

视觉同样依赖于“时间模式”，即：进入眼睛后不断变化了的模式。如果说视觉的空间模式比较容易从直觉上理解的话，这种时间模式就不是很明晰。你的眼睛每秒钟会快速移动3次，它们注视一个点，然后很快又会突然跳到另一个点。随着眼睛的每一次移动，视网膜上的影像就会不断变化，也就是说，输入你大脑的模式会随着每一次的眼扫视而彻底改变，而且这是当你目不转睛地盯着一个景物时发生的最简单的情况。在现实生活中，你会不停转动头和身体，不停地穿行于不断变化的环境中。你感觉到的是一个充满了可捕捉的事物和人物的稳定世界，但这种感觉是由大脑创造出来的，因为它有能力处理视网膜上那一连串毫无重复的影像。自然的视觉模式像一条河流进大脑，与其说它是一幅图，还不如说它像一首歌。

许多视觉研究者忽略了眼扫视和快速变化的视觉模式。他们观察被麻醉的动物，借此研究失去意识的动物在将眼睛固定在一点上时是如何产生视觉的。这样做撇开了时间量的考虑，从原则上看无可厚非，因为剔除可变量是科学研究方法的关键要素。但他们这样做忽略的是视觉中包含的一个核心成分，因为从神经科学对视觉的解读来看，时间占据了中心的位置。

说到听觉，我们总是考虑到声音的时间特性。直觉告诉我们，声音、口语和音乐都是瞬息万变的。你不可能立即听完一首歌，也不可能瞬间听完一个句子。一首歌总是存在于一段时间之内，但我们通常不会将声音看作空间模式。从某个方面来看，它与视觉的情况正好相反：时间模式一目了然，而空间模式却不甚明了。

听觉同样具有空间方面的成分。将声音转化成动作电位的是一个称为“耳蜗”的螺旋形器官，它个头很小，不透明，呈螺旋状，嵌在人体最坚固的骨头——颞骨上。对耳蜗全面解读是在半个世纪前由一位匈牙利医生——乔治·冯·贝凯西（Georg von Beksey）完成的。冯·贝凯西制作了一个内耳模型，发现不同的声音类型可以引起耳蜗的不同部位发生震动：高频声音震动的是耳蜗坚硬的底部，低频音能引起耳蜗外部较柔软宽大部位的震动，而中频音震动的部位则处于耳蜗的中部。耳蜗上布满了神经元，当不同部位颤动时，那里的神经元就被激活。日常生活中，耳蜗随时会遭到多种频率的声音同时冲击。因此，每时每刻耳蜗中都会有新的空间刺激模式，每时每刻这种新的空间模式都会传递到听觉神经，然后，正如我们所知的，这种感觉信息都转化成空间-时间模式。

人们通常不会把触觉看成是时间现象。正如我们所知，这种感觉的点点滴滴都是由特定的时间、空间决定的。你可以做一个试验来判断一下：让你的朋友把手握成杯状，掌心向上，闭上眼睛。将一个诸如戒指、橡皮等普通的小东西放在他的手中让他辨别，条件是不能移动手的任何一个部位，他只能说出重量和大致的形状，除此之外再感觉不到任何线索。随后，仍然让他紧闭双眼，用手指触摸这个物体，这时他几乎可以立刻辨别出来，因为手指的移动给触觉认识赋予了时间。视网膜的中央凹和手指的相似之处，在于它们都极其敏锐。因此触觉也像一首歌，你之所以能拥有使用触觉的复杂能力，如扣衬衫、在黑暗中打开前门，完全依赖于这些持续不断地随时间变化的触觉模式。

我们教导孩子说，人类有5大知觉：视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉，而事实上，人类的知觉还要更多。视觉更像动感、颜色和亮度（即黑白对比度）这三种知觉的集合。触觉包括压力、温度、痛感和震动。我们还有一套完整的感官系统，叫做“知觉系统”，它使我们能感觉到自己的关节角度和身体的位置，没有它，我们就无法运动。除此之外，在内耳中还有前庭系统，使我们具有平衡感觉。尽管这些知觉在发达和显著程度上不尽相同，但它们都是通过轴突以空间模式和时间模式进入大脑的。

你的大脑皮层不能直接感知外部世界，它所知道的只有输入轴突上的模式流。你的世界观，包括你对自己的认识，都是由这些模式形成的，你的大脑根本无从知晓你的生命终结于何处，这个世界又起源于哪里。研究身体影像的神经科学家发现，我们对自我的认识要比感觉灵活得多。例如给你一个小耙子，用它代替手伸出去抓东西，很快你就会感到它已经成为你身体的一部分了。大脑会改变它的预期以适应新的触觉输入模式，因此，小耙子已经在你的身体部位图上具体显现出来了。

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来自于不同感觉的模式在大脑中都是相同的，这一观点确实惊人；尽管人们对它已相当了解，但该观点仍然没有被广泛接受，于是更多的实验接踵而至。下面的实验你可以在家里做，所需的只是一位朋友、一个独立的小屏风和一只假手。第一次做实验时，最好能找到一只橡胶手，就像万圣节商店里卖的那样。如果没有，也没关系，可以在一张白纸上画出你的手形。将你的手放在桌子上，和假手排成一线，中间相距10厘米（手指朝向要相同，手掌方向也要相同，要么都朝上，要么都朝下。）然后用屏风挡在两手之间，这时你只能看到那只假手。当你注视假手时，让你的朋友同时轻抚着两只手的相同部位，例如，用同样的速度轻轻触摸小手指上从掌关节到指甲的部位，然后以同样的节奏轻拍食指的第二个关节，接着在两个手掌上画几个圆圈，等等。一段时间后，你大脑中的视觉和体觉模式相结合的区域（这一接合区曾在本章开头介绍过）就会混乱迷惑——你似乎能够感觉到从看到的假手传来的感觉，就好像它是你的真手一样。

另外一个模式等同实验叫做“感觉替代”。这一实验可能会给那些从童年期就失明的人的生活带来革命性的改变，也可能在不远的将来惠及那些天生的盲人，还可能为我们这些正常人带来新的机器接口技术。

认识到大脑与模式的关系之后，威斯康星州大学的生物医药工程学教授保尔·巴奇·瑞塔（Paul Bachy Rita）发明了一种在人的舌头上显示视觉模式的方法，戴上他研制的装置，盲人就可以通过舌上的感觉学会“看”。

其原理是这样的：在受试者的前额上戴上一个小型摄像机，这时视觉影像就一个像素一个像素地传输到舌头上的压力点上，一个在电视屏幕上由无数个像素组成的视觉影像可以转化成一个含有无数个压力点的模式，大脑会很快学会如何正确辨别这些模式。

第一个使用这种装在舌头上的装置之人是艾瑞克·韦恩梅（Erik Weihenmayer）。他是一位国际级运动员，13岁时失明，曾到各处讲演，鼓励人们不要让失明剥夺了自己的远大理想。2002年，韦恩梅登上了珠穆朗玛峰，成为尝试并完成此项挑战的第一位盲人。

2003年，韦恩梅试用了这个舌头装置，自童年失明后第一次看到了图像。他看到一个球在地板上向他滚过来，他伸手拿起了桌上的一杯饮料，还玩了“石头、剪刀、布”的游戏。然后他又沿着一条走廊前进，看到了门，并察看了其中一扇门和门框，发现上面有一个标牌。原本是舌头上的感觉很快就变成了对空间影像的感觉。

这些实例又进一步证明了大脑皮层是极其灵活的，而且输入大脑的都是模式。这些模式来自哪里并不重要，只要它们在时间上以固定的方式彼此联系，大脑就能感觉到它们的存在。

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如果我们接受了大脑所了解的只有模式这个观点后，这一切就不足为奇了。大脑是模式机器，用听觉或视觉来表述它的功能并非不正确，但从根本来看，模式才是实质。不论大脑皮层的各个区域的行为如何不同，其中起作用的基本皮层算法是相同的。大脑皮层并不在意这些模式是源自视觉、听觉还是其他感觉，不在意输入是来自单一的一种感官还是四种感官，无论你是通过声呐、雷达还是磁场来认识世界，你没有手却长着触角，甚至你生活在四维而不是三维空间，对这一切，大脑皮层都毫不在意。

这就意味着要具有智能，不一定必须具有某种知觉或任何知觉的特殊连接。海伦·凯勒（Helen Keller）既没有视觉也没有听觉，然而她学会了语言，成为了一名比大部分健全人都优秀的作家。她是一个缺失了两种主要知觉的智能人，然而，大脑神奇的灵活性使她能够像五种知觉俱全的人一样去认识和感知世界。

这种极大的灵活性给我们发明基于大脑研究的技术点燃了希望。当我考虑建造智能机器时，就想为什么不追随着我们所熟悉的感觉走呢？只要我们能够破译大脑皮层的算法，创立一个模式学科，便可以将它运用到任何想使之智能化的系统上。这种基于大脑皮层特征的回路，其重要特点之一就是我们不需要巧妙地编程。重新连接的雪貂大脑中，听觉区可以变成视觉区；盲人的大脑中，视觉皮层可以找到自己另外的作用；与此相同，如果在一个系统中运行大脑皮层算法，那么它就可以根据我们输入的模式而具有智能。这需要我们花些心思设计出这一系统的普通参数，并且训练它。之后，大脑进行复杂而有创造性思维过程所涉及的几十亿个神经任务就会自然完成，就像我们在孩子身上看到的那样。

模式是智能的基本媒介，这一观点引发了一些有趣的哲学论题。当我和朋友们坐在房间里，我怎么知道他们在那儿，怎么知道他们是真的呢？当我的大脑收到的一系列模式和我以前获得的模式相匹配后，这些模式就对我认识的人做出反应，包括他们的面孔、声音、举止等各方面的情况。一直以来，我学着接受这些以某种既定方式同时发生的模式，但现在看来，它们只是一个模型，我们对世界的看法是一个建立在这些模式之上的模型。我们能否肯定这个世界是真的？这个问题似乎奇怪而可笑。一些科幻小说和电影都曾探讨过这个主题。并不是说世界上的人和物不是真的，他们是真实存在的，但我们对于世界存在的肯定是建立在模式和解读它们的方式的一致性上的。直接的感知根本不存在，我们没有“人的”感觉器官。请记住：大脑是一个漆黑而寂静的盒子，里面除了在输入纤维上像时间一样流逝的模式之外别无他物。你的世界观是由这些模式创造的。存在固然是客观的，但大脑中输入轴突束上的空间-时间模式是我们必须要经历的。

这个讨论使人们注意到一个时常困扰我们的问题——幻觉与现实的关系问题。如果你能幻想出橡胶手上的感觉，如果你能通过对舌头的刺激“看”到东西，那么你自己手上的触觉和亲眼看到的景物会不会也是这种“欺骗”的结果呢？我们能相信这个世界就是我们看到的样子吗？我认为，世界的确是以一个绝对的形式存在的，和我们感觉到的非常接近，但我们的大脑不能直接认识这个绝对的世界。

大脑认识世界要借助一系列的感觉，而这些感觉并不能发现这个绝对世界的全部。感觉形成模式传入大脑皮层，经过相同的皮层算法处理之后就形成了世界的模型。这样看来，尽管口语和书面语在感觉上完全不同，但它们被感知的方法是相同的。尽管海伦·凯勒在知觉上有很大的缺失，但她头脑中的世界模型与你我的并无差异。通过这些模式，大脑皮层创造出一个与真的世界近乎相同的模型，然后，很巧妙地将它存于记忆之中。而记忆，也就是模式进入大脑皮层后所发生的一切，我将在下一章作深入阐述。