神经机械论

January 3, 2008 12:02 am UTC | In Study

很久很久以前,我想过一个问题,人是如何调节晶状体看清楚物体的,我在笔记本上画了这么一个图:

eye_feedback.png

并写道:“晶状体根据视网膜反馈调节到位”。看来我从小就是一个朴素的机械论者,可惜这个反馈过程并不正确。视网膜上成像清晰与否,必须要在大脑视觉中心去处理,视网膜是不可能直接反馈信息给晶状体的调节机构的。不过,反馈机制本身并没有错,对比一般的机械反馈控制回路:

feedback_control.png

这样的反馈控制回路在人体神经控制中无处不在,比如弹奏乐器就是一个神经反馈控制回路:

music_control.png

看起来反馈机制在神经控制中起着至关重要的作用。但是反馈真的如此重要吗?先来看看神经信号能走多快。科学研究表明,神经信号的传递速度基本和神经粗细成正比,最粗的神经也不过能达到 100 米/秒的速度。一个很流行的神经信号速度的说法是:

据科学家测算,神经脉冲的速度每小时只有 250 公里,而电视、无线电广播和电话所传递信息的速度则要快得多了。如果人的脚趾产生了问题,由神经脉冲传递消息,由于这段时间对人来说仍然显得很短暂,所以一般人没有丝毫的感觉。但是,假设你是一个巨人,头在阿拉斯加,脚在南非的海边,星期一的早晨鲨鱼咬了你的脚趾,你的大脑将在星期三的晚上才能知道这件事;如果你决定要把脚收回来,那么一直要等到星期六,脚才会真正行动起来,到那时,你的脚恐怕早已被鲨鱼啃得只剩下骨头了。

通常机械控制的反馈电信号以光速传播,比神经信号快几百万倍。神经信号如此之慢,导致反馈机制在很多情况下根本跟不上节奏。比如歌唱家有时候会使用颤音,其调制频率大概是 8 Hz 左右,而人耳音频反馈加反应时间基本要到 200 毫秒左右,也就是说,歌唱家的大脑其实必须早两个调制周期就给声带预送调制命令。再比如说,鼓手有时候手脚并用同时击鼓,如果大脑同时下令打鼓,由于神经传递路程不同,两个本应同时发出的鼓声就会间隔几十毫秒,造成节奏紊乱。所以鼓手大脑事实上必须先发出脚击鼓的命令,虽然熟练的鼓手根本不会意识到这个发送手脚命令的时间差。可以看到,至少在音乐控制中,依靠反馈的神经控制是跟不上速度的。

事实正是如此,不少情况下,神经控制并无直接反馈,按照控制论的说法,闭环控制(closed-loop control)成了开环控制(open-loop control),而大脑可以直接发出控制命令以达到预期目的(anticipatory control)。那么大脑是如何学会开环控制的呢?这就是人学习的过程,所谓熟能生巧,说的就是人通过反馈机制和闭环控制逐渐调节开环控制机构(adaptive control 的过程),直到最后完全抛弃反馈机制建立开环控制。这个开环控制的建立,需要无数神经元细胞的协调合作,难怪学精一样乐器需要好多年的时间了。

由此可见,反馈机制在学习过程中仍旧非常重要。人和其他的一些高等动物为什么能有如此精巧的反馈机制呢?有不少人给了进化论的解释,发明中听不中用的 Shepard Tone 的大牛 Roger Shepard 在 Music, Cognition, and Computerized Sound 一书中提到:

There is a long chain of processes between the physical events going on in the world and the perceptual registration of those events by a human observer. The processes include … … Presumably, the end result is the formation of a representation in the brain of what is going on in the external world. The brain has been shaped by natural selection; only those organisms that were able to interpret correctly what goes on in the external world and to behave accordingly have survived to reproduce.

这类进化论解释看起来自圆其说,却很难证明或证伪,有人(比如我)就常常把它们和人择原理划归为伪科学一类,或者好听点,叫信仰。人择原理,简单的说就是因为人存在,所以宇宙是这个样子的。乍一看,这整个儿一唯心主义嘛。不过我懒得展开写了,博客李淼上有些关于人择原理的,比如这里

一个 forward link: 表演运动的魅力

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2 Comments »

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  1. 问一下,这些个图是用什么工具画的,我用graphviz生成的图片总是不怎么好看!

    Comment by Eric — January 3, 2008 8:00 pm UTC #

  2. 随手抓了 Microsoft Visio 画的,很快。不过貌似没给我 anti-aliasing,中文字很难看。。。

    Comment by atppp — January 3, 2008 8:32 pm UTC #

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