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关于《降临》的脑科学碎碎念

混沌巡洋舰  · 公众号  · 科学  · 2017-02-08 10:07

正文


这一次,外星人来到地球,是为了沟通。影片围绕“可预测的时间维度”和“语言-思维方式”呈现了另外一种世界观。


可是,问题来了。学会七肢桶语言的女主预知到自己未出世的女儿的死亡是通过梦境。也就是说身处三维空间的人类看到时间维度上发生的事情是通过梦境。而做梦时她的身体还是睡在三维空间中的床上。那么,此时,她那产生梦境的大脑处理的是几维的信号呢?


深究起来就有点玄幻了,那么我们先将问题降到一维度二维的坐标上来看。

在原著《你一生的故事》中,所谓因果论,在于,前因后果即时间相关性的论证,而目的论在于矢量的方向。可是,或许,推动一个时期发生的原因本身很多,而它们这些力的集合终究指向那个果,这算不算因果论与目的论的殊途同归呢?


就像一条数轴上,如果数轴代表时间,因果分别为其上的两个点。而同样是一根线上有箭头,这个箭头指向所经后面的一个点便是所谓的果,前面那个是所谓的因,而这个因其实不过是表征事物发展的矢量上的一个点。其实确定的不过是那个目的,可是背后可能时很多动机很多力矩的共同作用。

这样看来,因果论,就像是以时间为轴的一维坐标,而目的论,则是漂浮在二维甚至三维空间中的一个时间向量。


说起来好像又更玄幻了。

那么,我们还是来聊聊大脑吧。大脑的组织结构,从微观到宏观,在不同的维度和不同的层级,都有着相应的表现。在Betzel 2016发表的综述中,大脑的特征被归纳为三个维度:空间、时间、和拓扑。


(Betzel R F et al 2016)

在空间维度,便是我们常说的解剖学改变。从单个的神经元,以及神经元细胞之间充填的神经胶质细胞,到由多个相似神经元形成的神经元簇,再到不同神经元簇形成的有层级分工的神经网络,再到神经核团、亚区、脑区,最后才是这个掌管人体的脑。


在时间维度,则是这些细胞组织器官会随着时间发生改变。从小小胚胎的胚层分化,到神经系统的形成,神经元的突触们像树枝般探索、生长,又随着刺激的改变或神经元胞体的凋亡而消失。


至于拓扑维度,便是把脑中的空间构造,抽象为点与线构成的网络。这个点,可以是单个神经元,也可以是一块脑区。线,则表征点与点之间的联系,可以是功能连接的强度,也可以是白质纤维连接的情况,还可以是神经元间信息传递的走向。


说到这里,不知道,在七肢桶的世界,如果时间是平铺的画卷,那么它的神经系统是怎样记录这些时间相关的事件?或者,它就没有神经系统?可是,它长得那么像神经元。。。(科幻故事你咋就当真了呢傻孩子)

(七肢桶)

(神经元)

但他们毕竟不一样。与七肢桶不同,神经元的突触并非每条都一样。它们有的长,有的短,负责传出,有的负责传入。

神经网络输出的信息也就不像七肢桶那样成圈回环,而是与时间相关的空间信息改变。故而,不管是神经网络还是人工神经网络,都是一层一层有输入输出方向的。

(神经网络)
(人工神经网络)

在这里,人工神经网络就像是时空中的实体神经网络的在拓扑维度上的投影。

说到这里,我们回到那张关于空间、时间、拓扑的多维大脑示意图。时间和空间是具体存在的,与时间有关的空间改变,如神经元的新生,神经胞体的生长,轴突上髓鞘的环绕,都可以找到时间的痕迹,也可以通过这些空间改变预测时间相关的事件。


而另一个维度,拓扑,则是抽象的。拓扑维度的指标,根据网络的大小,有局部指标和全局指标。网络的属性虽节点和连线的定义而不同。然而正是抽象属性的存在,使得我们可以归纳许多看似不同的事物的性质,从而进行计算和预测。


对于“预知未来”的强行解释就是,目前的脑科学研究表明,脑的解剖学改变和网络属性改变,可一定程度表征相关的疾病预后和发育水平。

Neuroscience & Biobehavioral Reviews 杂志2017年初发表的一篇关于这个话题的文章Brain and Cognitive Reserve: Translation via Network Control Theory。文章将复杂网络的可控性引入对脑网络的研究中,并提出了3个假说:

1. 脑和脑区形态学改变部分表征了脑网络及节点的可控性。

2. 教育方式、基因、养育模式、营养状态通过神经网络结构影响其网络可控性。

3. 对于脑网络可控性的研究可直接影响神经系统建模及相应的干预措施。

Medaglia JD et al 2017)

或许,七肢桶的预知,可能是通过感知到时空对应的拓扑维度上某些特征的改变,从而反推出相应的时空事件。