在普林斯顿大学物理系攻读研究生时，我曾通过写下非线性神经元交互网络的方程式并分析它们来解决如何理解大脑的问题，11 就像物理学家几个世纪以来使用数学来理解重力、光、电、磁和核能的本质一样。每天晚上睡前，我都会祈祷：“亲爱的主，让方程式是线性的，噪声呈高斯分布，变量是可分的吧。”这些是能产生分析解法的条件，但是因为神经网络方程式是非线性的，与之相关的噪声是非高斯分布的，而且变量是不可分的，所以它们并没有明确的解。除此之外，当时想要在计算机上模拟大型网络的方程是不可能的。更令人沮丧的是，我甚至不确定我的方程式到底对不对。

在普林斯顿上课时，我发现神经科学家们正在取得令人振奋的进展，这个年轻的学科领域45 年前才初露端倪。在此之前，生物学、心理学、解剖学、生理学、药理学、神经学、精神病学、生物工程学等许多学科都对大脑进行了研究。在1971 年神经科学学会（The Society for Neuroscience）的第一次会议上，弗农·蒙特卡索（Vernon Mountcastle）亲自在门口迎接了每一位与会者。12今天，这个学会有4 万多名成员，大约3 万人通常会出席年会。我于1982 年在约翰·霍普金斯大学的生物物理系开始我的第一份工作时，遇到了这位传奇的神经生理学家，他发现了皮层柱，而且有着强大的人格魅力。13 我随后与蒙特卡索密切合作，计划建立约翰·霍普金斯大学的脑研究所。这是世界上该领域第一个研究机构，成立于1994 年。

对于大脑的研究存在着许多不同的层级（见图4-4），每个层级都有着重要的发现，而要整合所有这些知识是一个棘手的问题。这让人想起了关于矮胖子的童谣：

矮胖子，坐墙头，

栽了一个大跟斗。

国王呀，齐兵马，(www.daowen.com)

破镜难圆没办法。

图4-4　大脑研究中的层级。（左）空间尺度范围从底部的分子水平到顶部的整个中枢神经系统（central nervous systems，CNS）。我们已经对每一个层级都有了深入的了解，但对具有少量彼此高度相关的神经元的网络层级，即由人工神经网络进行模拟的层级，却知之甚少。（右）突触（图片下方）的示意图，视觉皮层中的简单细胞结构（图片中间）以及视觉皮层中皮层区域的层次结构（图片上方）。图片改编自：P.S.Churchland，T J.Sejnowski，“Perspectives on Cognitive Neurosciencen，Science.242（1988）：741-745，Figure 1。

尽管神经科学家非常善于解剖大脑，但再把这些部分拼回去就没那么容易了。这一过程需要做加法而不是减法，而这正是我想要实现的。但首先我必须知道各个部分都是什么，毕竟大脑的构成太复杂了。

查尔斯·格罗斯（Charles Gross）教授是在普林斯顿研究猴子视觉系统的心理学家。在他的一个研究生讲座上，我对哈佛大学医学院的大卫·休伯尔和托斯坦·威泽尔在记录视觉皮层里单个神经元方面所取得的进展印象深刻。如果物理学不是理解大脑工作原理的捷径，那么有可能是神经科学。由于他们在初级视觉皮层中的开创性工作，休伯尔和威泽尔共同获得了1981 年的诺贝尔生理学或医学奖。（他们的发现是深度学习的基础，接下来会在第5章中讨论，也是第9章的主题。）