盡管進(jìn)化帶來的改變并不總是朝著更高的智力水平前進(jìn)，但是，智力仍是一個(gè)重要的進(jìn)化分支。大腦新皮質(zhì)的分層學(xué)習(xí)能力如此重要，以至于它在進(jìn)化過程中體積變得越來越大，并最終成為大腦的主體。大腦運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，并不以神經(jīng)元為基礎(chǔ)，而是神經(jīng)元集合。

因?yàn)橹匾挛锒家艿奖Ｗo(hù)，所以你有了頭骨護(hù)腦，塑料套筒護(hù)梳子，錢包護(hù)錢財(cái)。

喬治·科斯坦薩，《宋飛傳》

如今，我們第一次能夠如此簡潔而全面地對工作著的大腦進(jìn)行觀察，我們應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)其巨大能量背后的整體運(yùn)作程序。

約翰·泰勒

布朗·霍維茲

卡爾·弗里斯頓

正如雕刻家需要在石頭上工作一樣，大腦也是基于它接收的數(shù)據(jù)工作的。從某種意義上來說，雕像會(huì)永遠(yuǎn)矗立在那里。但雕像不止一個(gè)，能夠使某個(gè)雕像脫穎而出，就是雕刻家的魅力所在。所以不管我們的世界觀如何不同，這些觀點(diǎn)都源于我們最初的混亂感覺，在這一點(diǎn)上人與人之間沒有什么差別。只要愿意，人們可以通過推理將世界追溯到那個(gè)黑而無序、遼闊無邊的空間，甚至追溯到那個(gè)被科學(xué)家稱為唯一真實(shí)世界的密集的原子空間。如今我們所感受到和生活著的世界就是我們祖先和我們經(jīng)過無數(shù)次選擇判斷后發(fā)展而來的世界，正如雕刻家為完成一個(gè)雕像必須舍棄某些材料一樣。就算是同一塊石頭，不同的雕刻家也會(huì)雕刻出不同的雕像！就算是同樣單一而又無感情的混亂，也會(huì)產(chǎn)生不同的思想和不同的世界觀！我的世界不過是百萬個(gè)相似的世界中的一個(gè)，很多人會(huì)跟我持有相同的世界觀。但是在螞蟻、墨魚或是螃蟹的眼里，世界將有很大的不同！

威廉·詹姆斯

智力，一個(gè)重要的進(jìn)化分支

智力到底是生物進(jìn)化的最終目的還是只是目的之一呢？史蒂芬·平克（Steven Pinker）寫道：“對于我們的大腦，我們很沙文主義，認(rèn)為它們是進(jìn)化的唯一目的?！彼^續(xù)爭辯道：“那根本講不通……自然選擇與智力發(fā)展一點(diǎn)關(guān)系也沒有。由于物種生存環(huán)境和繁殖速度的差異，生物進(jìn)化的過程也有所不同。隨著時(shí)間的推移，為了在那個(gè)環(huán)境、那個(gè)時(shí)期生存并繁殖，有機(jī)物需要改變它們的設(shè)計(jì)。除了成功適應(yīng)，它們別無選擇。”最后他總結(jié)道：“生活是枝繁葉茂的灌木叢，而不是天平或梯子，生物體就在分支的頂端，而不是底層?！?/p>

平克質(zhì)疑人腦的這種設(shè)計(jì)究竟是“利大于弊，還是弊大于利”（見圖4—1）。關(guān)于人腦設(shè)計(jì)的弊端，他講道：“大腦很是笨重，女性骨盆幾乎不能容納嬰兒過大的頭。這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致很多母親死于難產(chǎn)，而且這種特殊的骨盆旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，使得女性在生物學(xué)角度上比男性走得慢。此外，笨重的大腦使得我們在面臨墜落等致命意外傷害時(shí)更容易受傷?！彼€列舉了大腦其他的缺點(diǎn)，如高消耗的運(yùn)行機(jī)制、過緩的反應(yīng)時(shí)間以及漫長的進(jìn)化過程。

圖4—1　大腦主要部位的物理結(jié)構(gòu)

這些觀點(diǎn)看似準(zhǔn)確（盡管我的很多女性朋友走得比我快），但平克沒有看到問題的全部。誠然，從生物學(xué)上來看，進(jìn)化沒有特定的方向。這只是一種探究“枝繁葉茂的灌木叢”本質(zhì)的方法。

同樣，進(jìn)化帶來的改變也并不總是朝著更高的智力水平前進(jìn)——它們朝著各個(gè)方向發(fā)展。有很多例子表明，幾百萬年來，某些生物未曾發(fā)生改變，例如，上溯到2億年前的爬行動(dòng)物，以及很多更加古老的微生物（見圖4—2）。但是在進(jìn)化方向不同的分支中，更高水平的智力確實(shí)是分支之一。這個(gè)分支也是本章討論的重點(diǎn)。

圖4—2　不同哺乳動(dòng)物的大腦新皮質(zhì)

新皮質(zhì)的分層學(xué)習(xí)能力

假設(shè)我們有一個(gè)充滿藍(lán)色氣體的廣口瓶。打開瓶蓋，氣體分子不會(huì)收到“嘿，伙計(jì)們，瓶蓋開了，我們向出口出發(fā)，奔向自由吧”這類信息，也不會(huì)直沖瓶口。分子只會(huì)像往常那樣漫無目的地移動(dòng)。在移動(dòng)過程中，靠近瓶口的某些分子確實(shí)會(huì)離開瓶子，而且隨著時(shí)間的推移，大多數(shù)氣體分子會(huì)溜出瓶子。一旦生物進(jìn)化偶遇會(huì)分層學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制，該生物的大腦就會(huì)發(fā)現(xiàn)該機(jī)制對進(jìn)化的目標(biāo)之一——存活非常有用。為適應(yīng)迅速改變的環(huán)境，學(xué)習(xí)速度需要不斷加快，新皮質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)就愈發(fā)明顯。不管是植物還是動(dòng)物，所有的生物都會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸適應(yīng)改變的環(huán)境，但沒有新皮質(zhì)，這種能力只能通過代際遺傳繼承。沒有新皮質(zhì)的物種可能要經(jīng)歷很多代，也就是幾千年才能學(xué)會(huì)具有跨時(shí)代意義的新行為——就植物來說，新行為指適應(yīng)環(huán)境的方法。新皮質(zhì)最顯著的存活優(yōu)勢是它可以在幾天之內(nèi)完成新知識的學(xué)習(xí)。如果某物種遭遇環(huán)境劇變，該物種的某一成員發(fā)明，或發(fā)現(xiàn)，或無意間找到（這3種全是創(chuàng)新的變體）適應(yīng)改變的方法，該物種的其他成員就能得知、學(xué)習(xí)并模仿那個(gè)方法，之后這個(gè)方法會(huì)像病毒般迅速傳播至整個(gè)種群。6500萬年前的白堊紀(jì)第三紀(jì)滅絕事件使得很多沒有新皮質(zhì)的物種迅速滅絕，因?yàn)檫@些物種不能很快地適應(yīng)突然改變的環(huán)境。這標(biāo)志著擁有新皮質(zhì)的哺乳動(dòng)物開始取代它們的生態(tài)主導(dǎo)地位。這樣一來，生物進(jìn)化發(fā)現(xiàn)具有分層學(xué)習(xí)能力的新皮質(zhì)是如此重要，以至于大腦不斷增大，直到最終取代智人的大腦。

神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)確定了具有分層學(xué)習(xí)能力的新皮質(zhì)的重要意義，同時(shí)也為思維的模式認(rèn)知理論提供了依據(jù)。很多觀測和分析都發(fā)現(xiàn)了該依據(jù)，我也會(huì)回顧其中的一部分。加拿大心理學(xué)家唐納德·赫布（Donald O.Hebb）首次嘗試解釋學(xué)習(xí)的神經(jīng)原理。他在1949年描述了一種機(jī)制，在該種機(jī)制中，神經(jīng)元基于自己的經(jīng)驗(yàn)改變了生理機(jī)制，這就為學(xué)習(xí)和大腦可塑性提供了基礎(chǔ)準(zhǔn)則：“假設(shè)反射活動(dòng)（或痕跡）的持續(xù)或重復(fù)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞不斷發(fā)生變化，這些變化會(huì)增加細(xì)胞的穩(wěn)定性……當(dāng)細(xì)胞A的軸突近到可以激活細(xì)胞B，或者不斷反復(fù)或持續(xù)地激活細(xì)胞，其中一個(gè)或兩個(gè)細(xì)胞會(huì)成長或進(jìn)行代謝，因此，作為激活B的細(xì)胞之一，A的效率就會(huì)增加?！痹摾碚摫槐硎鰹椤巴粫r(shí)間激活的細(xì)胞會(huì)聯(lián)系在一起”，這就是著名的赫布型學(xué)習(xí)。赫布理論已得到證實(shí)，很明顯，大腦中的細(xì)胞集合不僅能創(chuàng)造新的聯(lián)系，還能基于它們自己的活動(dòng)強(qiáng)化新聯(lián)系。事實(shí)上，我們在掃描大腦時(shí)可以看到神經(jīng)元連接的發(fā)展。人工“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的建立就是基于赫布的神經(jīng)學(xué)習(xí)模型。

積木式神經(jīng)元集合

神經(jīng)元是新皮質(zhì)學(xué)習(xí)的基本單元，這是赫布理論的核心假設(shè)。我在本書中提到的思維模式認(rèn)知理論是以不同的基本單元為基礎(chǔ)的：不是神經(jīng)元本身，而是神經(jīng)元集合，我估計(jì)有100個(gè)左右。各單元之間的聯(lián)系和突觸力量相對穩(wěn)定，并由基因決定，也就是說每個(gè)模式認(rèn)知模塊的結(jié)構(gòu)由基因決定。學(xué)習(xí)發(fā)生在這些單元之間，而不是各單元內(nèi)部，更確切地說，學(xué)習(xí)是由這些單元之間聯(lián)系的突觸力量決定的。

近來，瑞士神經(jīng)科學(xué)家亨利·馬克拉姆（Henry Markram）也支持學(xué)習(xí)的基本模式是神經(jīng)元集合的模式這個(gè)觀點(diǎn)，我會(huì)在第7章描述他旨在模擬整個(gè)人腦的宏偉計(jì)劃——藍(lán)腦。在2011年的一篇論文中，他描述了如何詳細(xì)研究和分析哺乳動(dòng)物的新皮質(zhì)神經(jīng)元，并在皮質(zhì)最基本的層次為赫布的集合尋找依據(jù)。他的發(fā)現(xiàn)與赫布不同，他寫道：“我們可以預(yù)測集合內(nèi)部神經(jīng)元之間的連接以及突觸權(quán)重，但這種連接卻有自己的模式，而不是隨意指定的?！彼偨Y(jié)道：“這些發(fā)現(xiàn)表明，經(jīng)驗(yàn)并不能輕易地塑造這些集合的突觸連接?！彼€推測，“這些集合由大腦自行設(shè)計(jì)，外在力量無法改變這種聯(lián)系，而且每個(gè)集合就像樂高積木中的一小塊，需要拼湊組合才能習(xí)得知識。記憶就是將這些單個(gè)積木搭建成復(fù)雜建筑物的產(chǎn)物?！彼^續(xù)寫道：

人類對功能神經(jīng)集合的研究已經(jīng)持續(xù)了十多年，但至今還沒有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)突觸互聯(lián)神經(jīng)元群的直接證據(jù)……由于這些集合都有相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和突觸權(quán)重，而且這些集合并不是由任何特定的經(jīng)驗(yàn)所塑造，所以我們將這些集合視為內(nèi)在集合。在決定這些集合之間的突觸聯(lián)系和權(quán)重時(shí)，經(jīng)驗(yàn)發(fā)揮的作用很小。我們的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多神經(jīng)元之間內(nèi)在的樂高積木似的集合的證據(jù)……在同一大腦神經(jīng)層內(nèi)，集合之間可能會(huì)自行重組成更高級別的集合，繼而進(jìn)軍更高級別的皮質(zhì)柱，甚至到達(dá)大腦區(qū)域，最后可能成為整個(gè)大腦中最高級別的有序集合……記憶的獲取過程與堆積木非常相似。單個(gè)集合就如同一塊有著特定任務(wù)的積木，如加工、構(gòu)建、對這個(gè)世界作出反應(yīng)等。不同的積木堆到一起，就形成了內(nèi)在認(rèn)知的特別聯(lián)合，正是這些認(rèn)知體現(xiàn)了一個(gè)人特定的知識和經(jīng)驗(yàn)。

馬克拉姆提出的“樂高積木”，與我描述的模式認(rèn)知模塊是完全一致的。在郵件交流中，馬克拉姆將這些“樂高積木”描述為“共享內(nèi)容和內(nèi)在知識”。而我卻更傾向于認(rèn)為，這些模塊的目的是辨識模式，并記住它們，然后基于部分模式預(yù)測其他模式。我們應(yīng)該注意，馬克拉姆預(yù)測的包含“幾十個(gè)神經(jīng)元”的模式只涵蓋了新皮質(zhì)中的第Ⅴ層。第Ⅴ層的神經(jīng)元確實(shí)豐富，但是基于神經(jīng)元數(shù)量在Ⅵ層中分布的一般規(guī)律，我們可以推測出每個(gè)模塊大約包含100個(gè)神經(jīng)元，這一推斷結(jié)果跟我的估計(jì)剛好一致。

雖然科學(xué)家已經(jīng)對新皮質(zhì)的連接和其明顯的模塊進(jìn)行了多年研究，但上述研究卻第一次向世人展現(xiàn)了這些模型的穩(wěn)定性——盡管大腦有著自己的動(dòng)態(tài)過程。

2012年《科學(xué)》雜志3月刊中，馬薩諸塞總醫(yī)院的研究也展示了新皮質(zhì)連接的規(guī)律結(jié)構(gòu)，該項(xiàng)研究由國立衛(wèi)生研究所和國家科學(xué)基金會(huì)資助。文章寫到，就像整齊的城市街道那樣，新皮質(zhì)的連接也呈現(xiàn)出網(wǎng)格的模式：“基本上，大腦的整個(gè)結(jié)構(gòu)很像曼哈頓的街道，你不僅可以在這里看到類似于街道2-D計(jì)劃的視圖，還可以清晰地看到第三個(gè)軸，以及第三維度上的電梯?！蔽恼伦髡吖鸫髮W(xué)神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家、物理學(xué)家以及該項(xiàng)研究的領(lǐng)頭人瓦·韋登（Van J.Wedeen）寫道。

在《科學(xué)》雜志的播客上，韋登講述了研究的重要性：“這是對大腦通路三維結(jié)構(gòu)的調(diào)查。在過去幾百年中，科學(xué)家一直在思考大腦通路的結(jié)構(gòu)，最典型的印象或模式是這些通路就像一碗意大利面條那樣——彼此連接的同時(shí)又擁有各自獨(dú)立的空間。利用核磁共振成像技術(shù)，我們可以通過實(shí)驗(yàn)來研究這個(gè)問題。我們發(fā)現(xiàn)，大腦的所有通路彼此并不孤立，而是以某種規(guī)律為基礎(chǔ)，以一種單一且極其簡單的方式連接在一起。它們看起來很像立方體。通路基本上向三個(gè)垂直方向延伸，并向這三個(gè)方向平行擴(kuò)展，最終組成整個(gè)模型。因此，從某種意義上來說，與彼此孤立的意大利面條不同，大腦是一個(gè)內(nèi)部互相連接的整體?！?/p>

不管怎么說，馬克拉姆的確發(fā)現(xiàn)了重復(fù)出現(xiàn)在新皮質(zhì)的神經(jīng)元模型，而韋登發(fā)現(xiàn)了模型之間相當(dāng)整齊的聯(lián)系模式。在大腦開始工作的時(shí)候，會(huì)有很多模式認(rèn)知模塊可以識別的“等待聯(lián)系”需要大腦處理。因此，假如一個(gè)給定的模塊要與其他模塊相連接，并不需要一方長出軸突、另一方長出樹突構(gòu)建連接。它只需要連接在等待聯(lián)系的軸突，然后連接到纖維末端，從而建立連接。正如韋登與其同事所寫：“大腦通路沿著早在人類胚胎階段就已經(jīng)成型的模式發(fā)展著。因此，通過觀察成熟大腦，我們可以看到通路的三維原始梯度影像，而這種影像因受到環(huán)境的影響而有所改變?！睋Q句話說，正如我們所學(xué)、所看到的那樣，新皮質(zhì)的模式認(rèn)知模塊正在與那些在胚胎時(shí)期就已經(jīng)建立的聯(lián)系連接在一起。

有一種電子芯片就是基于相似的原則設(shè)計(jì)的，即現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。該芯片包含了數(shù)百萬個(gè)具有邏輯運(yùn)算功能的模塊和就緒連接點(diǎn)。為完成特定的任務(wù)，我們可以（通過電子信號）控制連接的激活狀態(tài)。

在新皮質(zhì)中，那些很少使用的長距離連接最終會(huì)被拋棄，這也解釋了一個(gè)現(xiàn)象：當(dāng)新皮質(zhì)的某個(gè)區(qū)域受損時(shí)，新皮質(zhì)會(huì)繼續(xù)使用原始區(qū)域，而不選擇受損區(qū)域附近的區(qū)域——因?yàn)榍罢吖ぷ餍矢摺ｍf登的研究表示，就像模塊本身，新皮質(zhì)的原始連接呈現(xiàn)出極強(qiáng)的有序性和反復(fù)性，而網(wǎng)格模式在新皮質(zhì)中起“指導(dǎo)連接”的作用（如圖4—3至圖4—5所示）。研究發(fā)現(xiàn)，這種模式存在于所有靈長類動(dòng)物以及人類的大腦中，而且在新皮質(zhì)中尤為明顯，從處理早期感官模式的區(qū)域到處理更高層次情感的區(qū)域中都有這種模式的影子。韋登在《科學(xué)》雜志上的文章總結(jié)道：“大腦通路的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無處不在、連貫，并且隨著3條主要軸線的發(fā)展而發(fā)生變化?！边@再一次說明有一個(gè)普遍算法指引著新皮質(zhì)工作。

圖4—3　某國立衛(wèi)生研究院研究發(fā)現(xiàn)的新皮質(zhì)中原始鏈?zhǔn)礁叨纫?guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

圖4—4　新皮質(zhì)聯(lián)系規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的另一種視圖

圖4—5　新皮質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與運(yùn)用在集成電路與電路板上的縱橫開關(guān)極其相似

視覺皮質(zhì)與通用算法

眾所周知，新皮質(zhì)的某些區(qū)域的確是分等級的。視覺皮質(zhì)是研究最多的，它被分成了V1、V2以及MT（或V5）區(qū)域。當(dāng)我們進(jìn)一步觀察視覺皮質(zhì)中更高級別的領(lǐng)域時(shí)（概念處理意義的“更高”，而非物理學(xué)意義上的“更高”，因?yàn)槟撤N新皮質(zhì)只會(huì)被特定的信息激活），可識別的特質(zhì)變得更為抽象。V1負(fù)責(zé)識別眼睛看到事物的基本線條和初始形狀。V2負(fù)責(zé)識別事物輪廓，處理兩只眼睛的視覺差異，對事物進(jìn)行空間定位，以及判斷事物的主體部分和背景。新皮質(zhì)的更高層次區(qū)域負(fù)責(zé)處理諸如對象的身份這類概念，識別事物的樣子以及跟蹤事物的運(yùn)動(dòng)路線。在這個(gè)層級體中，信息可以向上一級傳輸，也可以向低一層級傳輸；信號既可以是刺激性的，也可以是抑制性的。麻省理工大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家托馬索·波吉奧（Tomaso Poggio）做了很多人腦視覺成像的研究，他過去35年的研究對視覺新皮質(zhì)“早期”（最低概念）層次上的分層學(xué)習(xí)和模式識別的發(fā)展具有重要意義。

我們對于視覺新皮質(zhì)低級分層的理解與我在前面一章描述的思維的模式識別理論是一致的，而且近來人們對大腦神經(jīng)處理分層本質(zhì)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這些層次。得克薩斯大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)教授丹尼爾·費(fèi)勒曼（Daniel J.Felleman）與他的同事致力于“25個(gè)新皮質(zhì)中大腦皮質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)”的研究，該研究既包含了視覺區(qū)域，也包含了負(fù)責(zé)處理各種感官模式的更高層次的區(qū)域。隨著對新皮質(zhì)層級結(jié)構(gòu)研究的深入，他們發(fā)現(xiàn)，層級越高，新皮質(zhì)處理信息的過程越抽象，處理信息時(shí)調(diào)動(dòng)的區(qū)域越多，處理所需的時(shí)間也越長。對新皮質(zhì)的任意一個(gè)連接來說，信息在層級結(jié)構(gòu)中總是呈現(xiàn)向上和向下的雙向交流。

近來的研究在很大程度上允許我們將這些研究擴(kuò)展到視覺皮質(zhì)之外的區(qū)域，甚至融合了很多來自感官輸入信息的聯(lián)合區(qū)。普林斯頓大學(xué)心理學(xué)教授烏里·哈森（Uri Hasson）和他的同事在2008年發(fā)表了研究結(jié)果，該研究論證大腦神經(jīng)區(qū)域的絕大部分區(qū)域與視覺皮質(zhì)有著相似的活動(dòng)?！昂苊黠@，視覺皮質(zhì)通路的神經(jīng)元不斷擴(kuò)大自身的空間接受域。這是視覺系統(tǒng)的基本組織原則……真實(shí)事件的發(fā)生地點(diǎn)絕不限于某個(gè)地方，時(shí)間也不限于某個(gè)時(shí)刻。因此我們猜測，既然有與空間接受域大小相適應(yīng)的分層結(jié)構(gòu)，那么也應(yīng)該存在一個(gè)負(fù)責(zé)處理大腦不同區(qū)域發(fā)出的過渡信息的層級結(jié)構(gòu)?！备鶕?jù)上述發(fā)現(xiàn)，他們總結(jié)道，“與已知空間接受域的皮質(zhì)分層相類似，人腦中的顳接受窗口的數(shù)目分層越來越多?！?/p>

大量的可塑性證據(jù)（學(xué)習(xí)與信息交流）是新皮質(zhì)通用算法存在的最有力證據(jù)，換句話說，通過使用新皮質(zhì)的通用算法，我們可以使一個(gè)區(qū)域完成本該由另外一個(gè)區(qū)域完成的任務(wù)。如今大量神經(jīng)科學(xué)研究正在試圖確定新皮質(zhì)不同區(qū)域與模式類型的一一匹配。完成這項(xiàng)任務(wù)的傳統(tǒng)方法是找出因受傷或重?fù)舳軗p的大腦喪失的功能，并找出大腦具體的受傷部位，通過前者和后者的結(jié)合，我們就可以確定新皮質(zhì)內(nèi)不同區(qū)域的功能。舉個(gè)例子，如果一個(gè)病人腦部的梭狀回區(qū)域剛剛受傷，而他突然無法像之前那樣根據(jù)他人的臉部肖像識別來人，卻依然能無障礙地根據(jù)人的聲音和語言模式識別他人，我們可以推測上述區(qū)域與臉部識別有一定的關(guān)系。這個(gè)判斷的基礎(chǔ)是，新皮質(zhì)的不同區(qū)域只負(fù)責(zé)處理和識別特定模式類型。不同的身體區(qū)域負(fù)責(zé)處理不同的模式類型，因?yàn)檫@是正常情況下信息傳播的方式。但如果由于某種原因，信息傳播受到阻礙，新皮質(zhì)的另一區(qū)域就會(huì)介入并接管受阻區(qū)域的工作。

可塑性受到了神經(jīng)學(xué)家的廣泛關(guān)注，他們觀察到由于受傷或重?fù)舳鴮?dǎo)致大腦受損的病人，能夠在新皮質(zhì)的另一區(qū)域重新習(xí)得該技能。關(guān)于可塑性最受關(guān)注的例子也許是2011年的一項(xiàng)研究，即由美國神經(jīng)科學(xué)家瑪麗安娜·貝德尼（Marina Bedny）以及她的同事進(jìn)行的關(guān)于“先天性盲人視覺皮質(zhì)發(fā)生過什么”的研究。人們普遍認(rèn)為視覺皮質(zhì)早期層，如V1和V2，天生就是處理非常低級的模式（如邊緣或弧邊），而前皮質(zhì)（位于我們特有的大前額中的新皮質(zhì)進(jìn)化新區(qū)域）天生是處理復(fù)雜和微妙得多的語言以及其他抽象概念模式。但正如貝德尼和她同事們所發(fā)現(xiàn)的：“人類進(jìn)化了左前腦區(qū)域以及特別善于語言加工的顳葉皮質(zhì)。然而，先天性盲人在某些語言任務(wù)上也能激活視覺皮質(zhì)。我們可以證明這種視覺皮質(zhì)活躍實(shí)際上反映了語言加工。我們發(fā)現(xiàn)對于先天性盲人來說，左視覺皮質(zhì)與傳統(tǒng)語言區(qū)域表現(xiàn)相似……我們推斷為視覺而進(jìn)化的腦域會(huì)因早期經(jīng)驗(yàn)而具有語言加工能力?！?/p>

想一想該項(xiàng)研究的啟示：它意味著物理上相對遠(yuǎn)離的新皮質(zhì)區(qū)域，以及被認(rèn)為概念很不一樣的新皮質(zhì)區(qū)域（原始視覺線索對抽象語言概念），本質(zhì)上來說使用的是相同的算法。負(fù)責(zé)處理不同模式類型的區(qū)域可以相互替代。

來自加利福利亞大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)科學(xué)家丹尼爾·費(fèi)爾德曼（Daniel E.Feldman），于2009年寫了一篇關(guān)于被他稱為“新皮質(zhì)上可塑性的突觸機(jī)制”的綜述，并提供了這種可塑性在整個(gè)新皮質(zhì)上存在的證據(jù)。他寫道：“可塑性允許大腦學(xué)習(xí)、記住感官世界中的模式，改善行動(dòng)……并幫助傷后恢復(fù)功能?！彼a(bǔ)充道，這種可塑性的實(shí)現(xiàn)是通過“結(jié)構(gòu)變化，包括皮質(zhì)突觸和樹突棘的形成、移除以及形態(tài)改變”。

關(guān)于新皮質(zhì)可塑性（以及新皮質(zhì)算法的一致性）的另一個(gè)令人震驚的例子是，最近由加利福利亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們所展示的——他們將植入式微電極列陣連接起來，以接收老鼠運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)某一區(qū)域的特定腦信號，此區(qū)域負(fù)責(zé)控制觸須的活動(dòng)。他們安排實(shí)驗(yàn)，如果老鼠們能在某種神經(jīng)模式上控制那些要激活的神經(jīng)元，而又不移動(dòng)它們的觸須的話，它們就會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)。要獲得獎(jiǎng)勵(lì)，所需要的模式涉及一種它們的前端神經(jīng)元通常無法實(shí)現(xiàn)的精神任務(wù)。不過，老鼠們能夠完成這項(xiàng)精神任務(wù)，主要是一邊通過它們的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元進(jìn)行思考，同時(shí)從精神上切斷其對運(yùn)動(dòng)的控制?？茖W(xué)家們得出的結(jié)論是：負(fù)責(zé)整合肌肉運(yùn)動(dòng)的新皮質(zhì)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)也使用標(biāo)準(zhǔn)的新皮質(zhì)算法。

不過，使用新皮質(zhì)的新區(qū)域來代替受損區(qū)域，重新習(xí)得的技能或某種知識會(huì)不如原有的好，這是為什么呢？有幾點(diǎn)理由可以說明。學(xué)習(xí)并完善一項(xiàng)特定技能，需要花費(fèi)一生的時(shí)間，因而在新皮質(zhì)的另一區(qū)域重新習(xí)得，并不能瞬時(shí)產(chǎn)生同等的效果。更重要的是，新皮質(zhì)新區(qū)域并不只是作為受損區(qū)域的替補(bǔ)坐等在那里。它本身也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此在彌補(bǔ)受損區(qū)域時(shí)，要拋棄它的新皮質(zhì)模式，它表現(xiàn)得很猶豫。它可以從釋放模式的一些多余的副本開始，但是這樣做會(huì)微妙地降低已存技能，也不會(huì)釋放出與再學(xué)習(xí)到的技能原先占用大小相同的皮質(zhì)空間。

可塑性有局限還有第三個(gè)原因。因?yàn)榇蠖鄶?shù)人的特定模式類型會(huì)流經(jīng)特定區(qū)域（例如梭狀回區(qū)域處理臉部），所以這些區(qū)域已經(jīng)被那些模式類型（通過生物進(jìn)化）優(yōu)化了。正如我將在第7章中介紹的，在我們的數(shù)字新皮質(zhì)發(fā)展中出現(xiàn)了同樣的結(jié)果。我們可以通過我們的字符識別系統(tǒng)來識別言語，而反之亦然。但是，由于言語系統(tǒng)被優(yōu)化了，所以字符識別系統(tǒng)也因?yàn)榇蛴〕鰜淼奈淖直粌?yōu)化了，因此，假如我們用一個(gè)代替另一個(gè)的話，執(zhí)行能力就會(huì)減弱。實(shí)際上，我們會(huì)運(yùn)用進(jìn)化（基因）公式來完成這種優(yōu)化，這種優(yōu)化是模擬生物自然。假設(shè)大多數(shù)人的臉部成百上千年（或更多）來一直流經(jīng)梭狀回區(qū)域，生物進(jìn)化就能夠形成有力的能力來處理那個(gè)區(qū)域中的這種模式。它使用相同的基本公式，但是它是定向到臉部的。正如荷蘭神經(jīng)科學(xué)家蘭德爾·科爾尼（Rondal Koene）所寫的：“新皮質(zhì)非常一致，原則上來說，柱或微型柱可以做其所能做的。”

近來大量研究支持以下觀察：基于對它們造成影響的模式，模式認(rèn)知模塊相互連接起來。舉個(gè)例子，神經(jīng)科學(xué)家易左（YiZuo）和她的同事觀察到：新的樹突棘在神經(jīng)細(xì)胞之間形成聯(lián)系，所以老鼠們學(xué)到了新的技能（通過一個(gè)狹孔抓到種子）。索爾克研究所的研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)新皮質(zhì)模塊的這種自我連接明顯是由少量基因決定的。在新皮質(zhì)中，這些基因和這種自我連接方法也是一致的。

許多其他研究證明了新皮質(zhì)的這些屬性，我們來總結(jié)一下我們從神經(jīng)學(xué)文獻(xiàn)和自己的思想實(shí)驗(yàn)中所觀察到的。新皮質(zhì)的最基本單位是神經(jīng)元模塊，我估計(jì)約有100個(gè)。這些神經(jīng)元被連接到每個(gè)新皮質(zhì)單元中，這樣每個(gè)模型就不會(huì)有明顯的差別。每種模型之間的連接和突觸強(qiáng)度的模式都是相對穩(wěn)定的。正是模型之間的連接和突觸強(qiáng)度代表了學(xué)習(xí)。

新皮質(zhì)中大約有1015種連接，而基因組中的設(shè)計(jì)資料卻只有2.5億字節(jié)（無損壓縮后），因此從基因上來說，連接本身是不可能預(yù)先確定的。這種學(xué)習(xí)有可能是新皮質(zhì)查詢舊腦的產(chǎn)物，卻仍然只體現(xiàn)了相對較少的信息。模塊之間的連接大體上是從經(jīng)驗(yàn)中確立的（后天培養(yǎng)而不是自然形成）。

大腦并不具備足夠的靈活性以保證每種新皮質(zhì)模式認(rèn)知模塊都能夠輕易地與任一種模塊相連接（就像我們能輕易地在電腦上或網(wǎng)上編程一樣）——必須創(chuàng)建實(shí)體物理聯(lián)系，軸突連接到樹突上。我們每次都是從大量可能的類神經(jīng)連接開始。正如維登研究所展示的，這些連接以一種很重復(fù)而又很整齊的方式組合在一起?；诿糠N新皮質(zhì)模式識別器所識別到的模式，這些等待中的軸突的終端連接就會(huì)發(fā)生。沒有用的連接最終會(huì)被刪除。這些連接是分等級建立的，反映了事實(shí)的自然等級秩序。那就是新皮質(zhì)的關(guān)鍵優(yōu)勢。

新皮質(zhì)模式認(rèn)知模型的最基本公式在新皮質(zhì)中，從處理最基本感官模式的“底層”模型到識別最抽象概念的“高層”模型都是對等的。新皮質(zhì)區(qū)域可塑性和可交替性最明顯的證據(jù)就是這個(gè)重要觀察的確實(shí)證明。處理特定模式類型的區(qū)域有一些優(yōu)化，但這只是二階效應(yīng)——最基本的公式是通用的。

信號沿著概念階層上上下下。往上的信號意味著“我發(fā)現(xiàn)到了一種模式”，往下的信號意味著“我在期待模式的產(chǎn)生”，這本質(zhì)上是一種預(yù)測。往上或往下的信號要么是興奮的，要么是抑制的。

每種模式自身都處于一種特定的秩序并且不容易逆轉(zhuǎn)。即使一種模式似乎有多面性，它也只是由更低層模式的一種一維模式所體現(xiàn)，因此每種識別器都有固有的遞歸性。不過，分層可以有很多層。

我們所了解的模式有很多是重復(fù)的，尤其是那些重要的模式。模式認(rèn)知（諸如普通物體和臉部）和我們的記憶使用相同的機(jī)制，這些機(jī)制正是我們所了解的模式。它們也被作為模式序列儲存著——基本上是故事。那種機(jī)制也用于學(xué)習(xí)和在物理世界中進(jìn)行物理運(yùn)動(dòng)。模式的重復(fù)使得我們能識別物體、人和那些有變化且發(fā)生在不同環(huán)境中的想法。尺寸和大小的變化參數(shù)也使得新皮質(zhì)能夠編碼不同維度的變化幅度（就聲音而言是持續(xù)時(shí)間）。編碼這些幅度參數(shù)的一條途徑就是通過不同數(shù)量重復(fù)輸入各種模式。舉個(gè)例子，口語“steep”就有模式，它有不同數(shù)量的重復(fù)長元音【E】，每個(gè)都有中等層次的重要性參數(shù)集表明【E】的重復(fù)是有差異的。數(shù)學(xué)上來說，這種方法并不等于擁有明確的尺寸參數(shù)，也不像實(shí)際運(yùn)行那樣工作，就只是一種編碼幅度的方法而已。關(guān)于這些參數(shù)，我們目前擁有的最有力的證據(jù)就是為了得到接近人類層次的準(zhǔn)確層次，人工智能系統(tǒng)需要它們。

以上的總結(jié)包括了從我所分享的研究結(jié)果抽樣和我早先討論的思想實(shí)驗(yàn)抽樣中所得出的結(jié)論。我堅(jiān)持認(rèn)為我所呈現(xiàn)的模型是唯一能滿足研究和我們的思想實(shí)驗(yàn)所確立的所有約束的模型。

最后，我再提供一個(gè)具有說服力的證據(jù)。數(shù)學(xué)上來說，過去幾十年里我們在人工智能領(lǐng)域開發(fā)的用來識別和智能處理真實(shí)世界現(xiàn)象（如人類話語和書面語言）、理解自然語言文件的技術(shù)，和我上文所呈現(xiàn)的模型很相似。它們都是思維模式認(rèn)知理論的例子。人工智能領(lǐng)域并不是嘗試復(fù)制人腦，它只不過是達(dá)到對等的技術(shù)。