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神经机械论

January 3, 2008 12:02 am GMT-0700 | 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：

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：

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：

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

Tags: evolution, music, nerve