关于认知神经科学几个相关问题的讨论

张子祺 张永康

山东农业大学生命科学学院，山东 泰安 271018

山东农业大学计算科学学院，山东 泰安 271018

认知科学最早追溯到古代先贤的学说。古人认为认知源于灵魂，肉体和灵魂是相平行的两个层面，这就是所谓的“二元论”。后来，随着科技的发展、人类思想认识的逐渐深刻，人们用看似科学的观点进一步解释了“二元论”，即人类的认知过程类似于计算机对符号的处理（但是没有任何证据证明这一观点）。直到镜像神经元的发现，才初步证实了人脑在理解其他人的意图时，实际上是在脑中对他人行为模拟，这为认知的具身性提供了证据[1]。

如今，包括认知疾病在内的一系列认知问题，都表明了认知与脑的结构以及脑部代谢息息相关，这更加印证了认知的“具身性”，并且为人类治疗相关疾病或者处理相关认知问题带来了启发。

此外，近60年内，从图灵第一次提出人工智能的相关理论到现在，设计出一种受人脑启发的人工智能仍然是人们执着的追求，还没有一种人工智能达到或超越人类认知水平，人工智能的研究与认知神经科学息息相关。在21世纪特别是近几年，各国制定一系列“类脑智慧”研究计划（如美国的“brain”计划），均希望可以在这一领域取得突破，为自己的产业结构带来“变革”。

1 认知神经科学的研究历史

1.1 二元论

古代先贤都不约而同地认为灵魂独立于人的肉体存在，在人死后，灵魂离开肉体，进入轮回。17世纪笛卡尔用看似科学的逻辑解释了这种观点，即人的身体和认知是完全不同的实体[2]，认知是精神性的，而人体及外界则是物质性的，这就是所谓的“二元论”。该思想长期占据主流地位。

符号加工心理学是在二元论基础上形成的。有些学者将人脑比喻成计算机，他们认为在人体处理外界信息过程中，人体将外界的各种信息进行转化、表征，形成特殊符号，再由人后续的机体对其进行处理从而形成记忆或者感知。但是人们没有任何实验直接证明这一观点，也就是说直到这时，人类对于“认知”还处于一种唯心的状态。20世纪80年代初，越来越多的人对这种离身转换原则产生了质疑，“具身转换原则”逐渐走入人类的视线。

1.2 具身转换原则

镜像神经元的发现，表明认识和机体是统一的一个整体。有研究将单细胞电极植入恒河猴的大脑皮层，并观察其脑部活动，发现其腹外运动前皮层F5区域与一系列个体活动有密切的联系，甚至在恒河猴进行脑部活动时（同之前的活动相同），能检测到其脑部皮层的活动[3]，这部分兴奋区域的神经细胞被称作镜像神经元。

研究人员试图弄明白恒河猴这种现象的原因，是由于猴子明白了同类的动作含义，还是仅仅由于它们对视觉特征做出了反应，于是进一步设计相关试验。他们在恒河猴前方设置挡板，挡板后部不可见，当人用手在挡板后面尝试拿起食物时，尽管猴子看不到食物，猴子的大脑皮层相关区域仍会检测到兴奋，但是如果猴子看到挡板后面并没有食物，在大脑皮层相关区域则检测不到这种兴奋。此外恒河猴不仅能通过观察动作来激活大脑皮层相关区域这种兴奋，在其听到与上述动作相关的声音时，也会激活这种兴奋。研究人员推测，猴子是在大脑中模拟了相关运动，并理解了运动的含义，而且无论猴子直接进行活动，还是看同类从事相应的活动，都可以观测到恒河猴相应的运动中枢产生兴奋，因此恒河猴的运动和感知系统是紧密联系在一起的，并不能彼此分离。后来，研究人员借助于fMIR技术，在志愿者身上重复了类似于恒河猴的试验（该过程合法），试验结果显示人类在观察同类运动时，其脑部相关区域也会产生兴奋，并且在这一过程中，可以检测到志愿者相关肢体部位产生了动作电位。试验进一步验证了人的认知和机体是不可分离的一个整体（具身认知）。

“镜像神经元”的发现表明人类的认知与人脑甚至机体关系紧密，如今，得益于一系列脑部活动探测技术（如“fMIR”），研究人员可以更加直观地观察脑部的活动，研究心理疾病发病机制，并依据人脑运行规律来设计教育模式。更重要的是，受人类的认知模式的启发，计算机算法也在不断发展。

2 认知神经科学及其相关领域研究现状

2.1 医学方面的认识神经科学

2.1.1 暴力倾向的神经生物学体现

美国邀请了一些有暴力倾向的儿童，开展了特定的试验。试验内容是让这些儿童观看其他人遭受痛苦的视频，并且检测他们的脑部活动，试验的对照组是正常儿童。试验结果表明，这些儿童同样观看别人遭受痛苦，他们的脑部活动却存在显著的差异，那些暴力倾向的儿童在观看短片时，他们的杏仁核和腹侧纹状体表现出一种强烈的活动，这表明他们更加喜欢疼痛的感觉，而正常儿童却没有相似的脑部活动。也许人们可以通过降低暴力倾向者这些脑部区域的活动来实现控制其暴力倾向的目的。

2.1.2 抑郁症生物学机理

（1）患有难治愈性抑郁症的人大脑结构异常。有研究发现，患有难治愈性抑郁症的人的大脑灰质的额叶、扣带回、岛叶、海马旁回等脑区灰质体积较正常人要小。以海马为感性区的研究表明，同正常人进行对比，难治愈性抑郁症患者的海马体积明显减少。约翰·罗杰斯·塞尔和杨礼银的研究表明难治愈性抑郁症患者的额叶-边缘系统位置处脑蛋白纤维异常，并且脑蛋白纤维的破坏程度和抑郁症的严重程度有关系[4]。这些研究都表明了难治愈性抑郁症与额叶-边缘系统这一区域结构的联系性，但无法说明其中的因果关系。

（2）患有难治愈性抑郁症的人脑部功能异常。研究人员发现，基于任务态fMIR，难治愈性抑郁症患者的海马及纹状体功能异常诊断率高达80%以上。基于静息态fMIR，难治愈性抑郁症患者的额叶-边缘系统在静息状态下存在自发的脑功能异常这一症状。此外，脑功能研究显示，难治愈性抑郁症患者的脑部皮层及皮层的连接异常[5-6]。这些研究进一步地揭示了额叶-边缘系统和小脑的异常可能是难治愈性抑郁症的主要原因[7-8]。

（3）患有难治愈性抑郁症的人脑部代谢存在异常。基于MRS这项技术的多项研究表明，大脑代谢异常也是难治愈性抑郁症存在的原因之一。

以上可以得出，抑郁症很可能是由于额叶-边缘系统及脑代谢异常所导致的，所以根治抑郁症不能单单靠心理医生，病人也需要服用对应的药物才能从根本上除掉抑郁症。

2.1.3 烟瘾形成的认知神经科学依据

烟瘾的症状体现在：无法克制吸烟、连续吸烟，在这一过程中烟瘾患者会产生愉悦感并且抵抗戒烟措施。研究表明，香烟中所有成分中最容易令人和动物上瘾的是尼古丁，尼古丁作用于中枢神经系统的尼古丁受体，与中脑边缘多巴胺奖赏回路有着紧密不可分的关系[9-10]。此外，尼古丁同其他递质系统也有着紧密的联系，并因此而影响着人类的学习和记忆系统。而且，相关研究发现，尼古丁的使用也会促进对其他药物的依赖[11-12]。因此，研究动物对香烟或者说尼古丁依赖产生的神经生物学机制，对于预防、戒除烟瘾至关重要。

2.2 脑功能提升机理及人工智能

2.2.1 人类的认知过程

（1）认知高度受寿命限制。人脑的认知不是永恒的。每一位学术巨匠都是全人类宝贵的财富，但是他们只能为人类文明贡献他的一生，他们的逝世意味着后人需要通过学习的方式重复他们的路程[13-14]。但是对于知识的认知需要一定的时间，并且人脑对知识的认知程度是有限的。

（2）认知受个人天赋和交流方式的影响。天赋对于认知的影响是极为明显的，一个人在单个领域的发展可能是无穷尽的，但总会有瓶颈，交叉领域依托于其结合性和广泛性会为社会带来巨大的价值，而交叉领域的发展一般是通过人与人之间合作来实现的，但是这种交叉领域的发展对于一个掌握全部技能的个体（前提是该机体各项思考能力指标都达标）有着巨大的困难，原因在于人脑对于知识的认知是有限的[15-16]。

2.2.2 人类认知水平提升的方法

（1）改造人脑。通过植入芯片改造人脑，可使其部分机能得到提升。美国南加利福尼亚大学研究出一种大脑芯片，可以匹配大脑发送的电信号，并模拟长期记忆形成的过程。他们的芯片在猴子和小鼠身上进行了试验，猴子和小鼠的记忆有了明显的提升[17-18]。美国硅谷一家公司正在着手开发可植入性人脑芯片，以达到提高人类认知水平的目的，其原理同之前所论述的例子类似[19]。目前，受技术和医疗手段的限制，人类只能研究出功能有限的芯片，但随着算法和新材料及计算机硬件架构的不断更新，这些可植入性芯片将会有更多功能，超级大脑不再是梦想。

（2）人工智能。类脑智能的研究目前主要分为：“人脑的认知模型构建”“类脑信息处理”“类脑体芯片和类脑计算体系结构”“类脑机器人与人机协同”，其中构建多层次的（突触、神经元、皮大脑等）人脑模型是实现人工智慧的基础，创造出符合多层次人脑模型的芯片（目前的类脑芯片大多属于“冯诺依曼”结构，该结构仅仅借鉴了神经元最基本的连接方式，并不满足脑模型多层次的要求）是实现人工智能的前提。“类脑信息处理”机制是人工智能真正可以影响这个世界的关键因素。人工智能涉及多领域，是一个庞大而又复杂的领域，创造出人工智能需要各方面的人才共同努力才能实现。

3 总结与展望

3.1 认知神经科学是人理解自身的终极疆域

从广义上讲，认知科学所隶属的脑科学，是21世纪一个重点问题。人的创造力、人的价值观依附于人类大脑，体现人类解决问题的能力。解读人类的“认知”，本质就是回答人类存在价值的一个重要方面。与其说人类活着，不如说人脑活着，因为受人脑中“奖励回路”和“前额叶皮层”的调节，人类必须要努力，否则人类会过得不开心或者无法实现自己的愿望。人脑中海马帮人类储存了海量的知识，记忆的形成依赖于人脑中神经突触。所有这些就像是一台计算机，但与计算机不同，准确地讲更像是人类理想中的一种算法，但如果能用一台高强度机器模拟出这个世界，人脑与模拟出的世界以某种方式相连，那么这个世界是真的还是假的？人无法找到自身存在的价值或许是因为人是人脑的奴隶，无论是做好事还是做坏事，都只是用来满足自己的归属感或私欲的。

3.2 认知神经科学是解决心理疾病的关键

另外在这一领域发展的过程中，可以看到曾经一些看似无中生有的疾病，终于有了一些发病根据，这对于人类治疗该方面的疾病，显然意义重大，并且未来在控制犯罪率方面也会彰显作用。正如前文所述，正常人同有着暴力倾向的人相比，其大脑的活动是完全不一样的。无论是大脑结构还是大脑代谢抑郁症患者同正常人都有着一定的区别。不可否认这些认知问题受环境因素影响，但是心理医生不一定能彻底解决这些问题，而且心理医生长期帮别人诊断疾病的同时，自己也许会受到影响。解决认知疾病问题比较好的方法还是心理咨询与药物相结合。希望在不久的将来有一套更加系统而普遍的医疗方法，能够帮助人类缓解压力，降低自杀率和犯罪率。

3.3 认知神经科学是人工智慧实现的突破口

从图灵第一次提出“人工智能”这一理论，到现在已有60余载，但还没有真正意义上的“人工智能”出现。人们对于人工智能的幻想是美好的，但不能通过传统的编辑方法实现自己幻想中的人工智能。原因是“人工智能”的运行模式区别于人脑，但又受人脑启发，因此人工智能的发展离不开脑科学的发展，只有率先对大脑图谱进行构建，并模仿其机制才可能取得重大突破。

人工智能是人类社会未来认识世界、改变世界的制高点，近十年，西方国家陆续提出了一系列的措施来发展人工智能。在人类理论中，人工智能的优势体现在其超强算力，可以运用巨大的数据集，在多任务协同的情况下来完成人类难以想象的任务。人工智能的突破性发展可能会改变传统意义上的交通、教育、医疗、国防、科研方式，甚至以超越人类认知范围内的能力带动人类社会，不断地推进各个行业的创新与发展。

认知科学，是一个宽泛而又富有价值的领域，也涉及一些深奥的人生问题。从人类脱离原始状态一直到现在，人类从没有停止对认知的思考。直到现在这个科学技术井喷式发展的时代，人类借助fMIR等探测技术，间接地知晓了脑部运行的机理，也对认知的原理有了科学的论证，与之相关的认知疾病也便有了可医性。更可贵的是，人们开始探寻提高认知水平的方法，“可植入性芯片”“人工智能”这些引人入胜的领域仿佛告知人类的认知水平没有上限，只要各个领域的人才齐心协力，将研究成果有机地结合起来，“人工智能”不再是梦想，“社会生产变革”也不再是梦想。