神经|坤鹏论：人类是机器吗？ |人脑|计算机|细

_本文原题：坤鹏论：人类是机器吗？
有时候，我们会惊诧，难道真的有人为这个世界制定了规则吗？要不然，为什么许多完全不同的事追根溯源之后发现，它们其实运行于同样的规则之下？！正如中国的那句成语：殊途同归。——坤鹏论

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在《机器能思考吗？》中，坤鹏论介绍了人工智能的三大门派，在人工智能的几起几落后，现在是连接主义派当红。
连接主义说白了就是，复制人类，主张模仿人类的神经细胞（神经元），用神经网络的连接机制实现人工智能。
为什么连接主义要倡导机器学习、深度学习呢？
今天坤鹏论就分享一下对于人脑相关知识的学习，从而帮助我们更好地理解如今的人工智能。
一、为什么把计算机叫电脑？
有没有想过，为什么我们将计算机俗称为电脑呢？
甚至在大众那里，电脑的使用要比计算机更为普遍？
坤鹏论猜想，这跟20世纪50年代人们的错误认知有关。
当时的人们似乎认为，计算机的魔力本质上来源于电，因为那时的人们早就知道了人类神经系统的本质也是电。
估计将computer翻译成中文的人，也认可这个观点，所以将其翻译成了电脑。
另外，中文里面，在计算机之前早就有了计算器这个词，显然，计算机和计算器很容易让人分不清。
随着一代又一代科学家的不懈努力，我们对于人脑的了解越来越多。
不可否认的是，人脑和计算机确实有很多相似之处，比如：
它们都含有大量基本单元，人脑为神经细胞，计算机中为晶体管。
这些基本单元都能组成复杂回路，处理电信号形式的信息。
小知识：什么是回路？
回路是个电学名词。
电流从电源的一端出发通过导线经过用电器回到电源的另一端，这就是一个电流回路，即通路状态。
如果导线或其他地方没有接触好，这时电路中没有电流通过，这时是断路状态。
如果电流没有经过用电器而直接构成回路，这时电流极大，这是短路状态。
而且，人脑与计算机的架构十分相似，都是由负责输入、输出、重要处理和记忆储存的几大回路构成。
其实，人脑和计算机的比较早就有之，还在现代计算机刚刚起步时，一本名为《计算机与人脑》的书中就讨论过。
该书由约翰·冯·诺依曼编写，正是这位牛人在20世纪40年代带头设计了计算机架构，至今还是大多数计算机的基础。

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二、人类心智活动类似计算机的二进制语言
早在1913年，诺贝尔生理学或医学奖获得者埃德加·阿德里安研究证明——人类心智活动（心理与智能的活动）类似计算机的二进制语言。
他发现，神经细胞存在有阀值。
阀值可以理解为受到特定刺激时，细胞的兴奋临界点。
神经细胞对于刺激都会有生理变化，会产生电信号。
不过，神经细胞对于强度在阈值以下的刺激，产生的电信号不能传向远处，相当于二进制的“0” 。
如果刺激强度超过阈值，不管超过多少，都能引起同等强度的电压变化，并在神经细胞之间传递，相当于二进制的“1” ，即通电状态。
阿德里安的发现告诉我们，神经细胞的生理活动确实和二进制有某些相似之处。
而他的这个研究早于计算机的诞生几十年之遥。
可是，如果神经传递的电信号形式只有两种，并且身体每个区域的神经细胞又有限的情况下，人类到底又是如何感知温度、疼痛等信息的强弱变化呢？分页标题
阿德里安再次通过实验证明——主要受刺激强度的影响。
刺激强度的变化会使神经细胞电信号的频率也随之变化，也就是刺激越强，频率越高。
另外，他在实验中还发现，如果持续刺激神经细胞，产生的电信号频率会呈现越来越低的趋势。
这给了心理学中阐述的感觉适应现象，以生理机制上的实验实锤。
感觉适应是一种常见现象，不同的感觉会有不同的适应机制。
比如：刚闻到某种气味时，人本能的感觉会非常敏锐。
但是，久而久之，就会忽略这种气味。
这就是久居兰室不闻其香，久居鲍市不闻其臭背后的科学道理。
也正是因为这种机制的存在，人和动物才可以把有限的注意力用到其他新鲜事物上。
另外，动物的大脑内对于身体每部分的感觉，都会有特定部位的大脑皮层与之对应。
就像触觉，它由外周神经通过传导通路，经过一系列过程向上传达，触觉的神经冲动最终在大脑内投射到特定的皮层上。
阿德里安实验发现，动物大脑内处理不同部位触觉信息的皮层面积大小，和该动物对这个部位感觉的依赖程度有关。
比如：人和猴子的生存需要依赖敏锐的面部感觉和双手的触觉，相应这两部分神经在脑内投射的皮层面积也较大。
这还不算，感觉和运动皮层的面积都是可变的。
比如：一个失去双手的人，如果他训练自己双脚的功能，他双足的触觉神经在大脑皮层上投射的面积就会增大，而双手对应的皮层面积减小。
神经学家认为，这一变化过程是人类学习和基因的基础，重复训练可使神经回路变得更适宜执行相应任务，从而大大提高速度和精度。
精神病学家威廉·罗斯·阿什比表示：“由随机连接的、可塑的突触构成的大脑，通过经验的积累，将可以达到任意水平的有序性。 ”也就是说，心智是一个自组织的动力系统。
阿德里安的研究揭示了神经细胞工作的原理，也间接促成了算法学的进步。
早在计算机发明之前，科学家们就根据当时神经生理的知识，提出了影响深远的神经网络算法。
人们在研究神经科学的过程中，发展了信息技术，而通过计算机对神经活动的模拟，人们深入认识了人类赖以思考的大脑，神经系统中的“0”和“1”与电脑中的二进制最终被紧密结合在一起。
这种多学科的融合在一起携手并进，也成为了神经科学研究的发展方向。

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【神经|坤鹏论：人类是机器吗？】
三、神秘的人脑
长期以来，人脑与计算机的关系一直是诱人的科学幻想主题。
现代神经科学的奠基者、西班牙科学家拉蒙·卡哈尔曾经说过， “只要大脑的奥秘尚未大白于天下，宇宙将仍是一个谜。 ”
人脑神经细胞数量大约1000亿个，神经细胞之间的连接多达100万亿；
人脑每天能记录生活中大约8600万条信息，一生能凭记忆储存100万亿条信息；
一个脑细胞的作用大约相当于一台大型计算机；
每1秒钟，人的大脑中进行着10万种不同的化学反应；
人脑的容量相当于约77亿TB ，人脑里储存的各种信息，可相当于美国国会图书馆的50倍，即5亿本书的知识；
如果用计算机来模拟人类大脑的功能，以研究进展的速度而言，大约还要100年才能实现；
……
客观讲，人类对人脑的探索最乐观地讲，顶多算是胎儿阶段，不要夸大成果，更不要以一点成果作为主要依据进行推断。
比如：有人就这样来推断中文房间的思想实验，其推导过程如下：
所有人都认为人拥有智能。
而人的智能决策来自于脑细胞的电信号转换。分页标题
每一个脑细胞不理解单词的意义，只是简单的缓冲、传递或抑制一个电信号。
但是，脑细胞创造了语法规则，创造了决策策略（相当于规则书与不懂中文的人）。
它们并不懂每个单词的意义，而人类却显示出与人沟通的能力。
如果按照约翰·塞尔的观点看上述过程，显然人类也不存在认知能力，可这与事实是不符的。
所以，如果某段计算机程序，能够完成图灵测试，则说明该段计算机程序具有认知能力，是成立的。
上面的说法确实挺迷惑人，特别是在对人类如何做出智能决策不熟悉的情况下。
它的错误之一——虽然人类作出智能决策时，会涉及到脑细胞电信号转换，但是，至今还没有100%证明，智能决策只由脑细胞的电信号转换产生。
它的错误之二——只能推导出单独一个脑细胞的缓冲、传递或抑制一个电信号，不能使其理解单词的意义，但是，脑细胞（集体）如何创造语法规则、决策策略，是否单纯倚靠个别脑细胞的缓冲、传递或抑制电信号等，如今谁也不知道。
并且，它还忽略了单独一个脑细胞和一个拥有智能的人类之间，后者包含前者、前者与众多他者组成后者等复杂关系。

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计算机的基本运算速度、精度确实都远甩大脑N条街，但是，人类强大的则是“集团作战”能力极强。
比如：职业网球运动员可以密切追踪速度高达每小时250公里的网球的运动轨迹，迅速跑到球场上的最佳位置，调整好胳膊姿势，然后将球打回对手场地，这一切仅需几百毫秒即可完成。
而且，人脑在身体的帮助下完成这些动作的能耗仅为个人电脑的十分之一。
其中的根源在于人脑和计算机对系统内部信息处理的模式不同。
计算机任务主要以串行步骤为主，也就是指令是按时序进行的。
人脑也会采用串行模式处理信息，比如打网球——信息先从眼睛传递到大脑，然后传递到脊髓，进而控制腿部、躯干、胳膊和手腕的肌肉收缩。
但是，人脑还会大量采用并行处理的模式，也就是调动身体各部分同时工作。
就像人们学英语，一边听着标准朗读录音，还要看着书，同时嘴跟着一边读。
这种并行之所以能够实现，就是因为每个神经细胞都会接受来自大量其它神经细胞的输入、并向大量其它神经细胞传递输出。
哺乳动物一个神经细胞的输入和输出平均可涉及1000个神经细胞。
一个神经细胞输出的信息可同时通过多条并行路线向下传递。
与此同时，在上游处理了同一信息的大量神经细胞又会将输出信息传递给同一个神经细胞。
这对于提高信息处理精度非常重要。
正如香农在信息论中揭示的，应对噪声的最好办法是增加冗余。
而人脑也同样“聪明”地采用了这样的方法。
假设单个神经细胞可能受噪声影响很大，但是，如果将100个携带同一信息的神经细胞输入取平均值，下游神经细胞接收到的信息精度就会大大提高。

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人的大脑确实很神秘，而且它还是个相当吃能量的器官。
一般来说，每日运转所需的能量，占每天总摄取能量的20% ，而大脑正在发育中的孩子这个每日需求量高达50%~60% 。
心理学家罗伊·鲍迈斯特研究发现，神经系统消耗的葡萄糖比身体其他部位消耗的都要多，而且需要付出脑力活动的成本显然要比葡萄糖高。
人在积极进行复杂的认知推理或忙于要求自我控制的任务时，血糖就会下降。
这种情况和短跑运动员在短跑时肌肉中的葡萄糖储量下降是相同的。分页标题
所以，人们常说知识分子是脑力劳动者，此话真不假。
鲍迈斯特的另一项实验证明，如果在做高强度脑力劳动时，喝葡萄糖饮料进行补充相当管用，在大脑中储存一定量的糖，可以使人们的脑力活动表现更好。
下次，你再进行费脑力的工作，及时补充些葡萄糖对你最有帮助，注意代糖饮料完全无效。
坤鹏论特意看了一下“累了困了喝”的红牛的营养成分，里面就有含量不低的葡萄糖。
回首想一想，每一次的技术革命，其实都是在让人类从简单劳动中脱身出来，从而能够更加专注地去开拓大脑，更大程度地发挥其创造力。
虽然“人类的大脑只开发了10% ”就是个传言，没有确凿的实验证明。
但是，不可否认的是，人类对自己大脑的了解太匮乏了。
和它的神秘相比，我们目前可能只触摸到了一点点边角。
当然，就算是边角，也能让人们大吃一惊，比如：
美国加利福尼亚大学的布鲁斯·米勒博士曾在人的大脑内成功地发现了“天才按钮” 。
他在自己的实验室里对72名因各种原因使大脑受过损伤的病人进行研究，发现了一个规律——一旦人的右颞下受过伤，就有可能变成某个领域的天才：
一名9岁的男孩在部分大脑受损后竟成了一名天才的力学专家；
还有一位56岁的工程师，大脑右半球皮质的部分神经元因病受到损伤后却激发了绘画天分，成了一位大画家。
确实， “只要大脑的奥秘尚未大白于天下，宇宙将仍是一个谜。 ”
而人类多年的发展并没有解决大脑和宇宙这两件事情。
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