《计算机与人脑》:神经脉冲的本质

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在学习本章之前,我也有个念头。不同于计算机部分,那是冯诺依曼基于当时的计算机技术现状总结而来的,顶多只是有时代的局限性(受限于技术本身),但有关人脑的部分,由于当时的医学、生物学等的探索的有限性,有些知识未必就是正确的。

我在看到第一段时,就验证了这一点。

冯诺依曼说:神经细胞包括一个细胞体,从它那儿,还直接或间接地引出一个或多个分支。每一个分支,叫做细胞的轴突。但是不对,每一个神经细胞不是只有一个轴突吗?至少我看到的神经细胞图片是这样的(如上一章的图)?我立即查询了资料,从目前搜索到的资料看,一个神经细胞可能会有不少树突,但只有一个轴突,轴突再由多个突触传递给多个神经元。还是我理解的有问题?比如说它的描述?至少从我有限的知识(外加搜索)来看,多个“轴突”的说法是有问题的。

因此,我们怎么来看待这些“过时”的知识?

我想,我们还是要回到站在冯诺依曼那个时代,在那个时代远眺。我们并不是为了获取他那个时代的“知识”,如果是这样,我们不如去读最新的作品,它们的知识在当代是没有过时的,但也会在未来过时。然而之所以读“元典”,是去体味那些科学家们在追求真理过程中走过的路,他们获取知识、提炼真理的方法,也就是元知识。这才是我们真正想从经典中获取到的。

不要痴迷于这些元典的知识本身,探索知识才是最有意义的。

神经元细胞的轴突中,有着神经脉冲。这种脉冲存在多种特征,有着电扰动,也有化学变化,在轴突的末端,化学变化更加明显,甚至还有机械变化(这点存疑,暂未查到有这样的变化)。

由于神经元可反复使用,这种变化都是可逆的。即,在脉冲过后,所有轴突的各种条件,所有它的组成部分,都可以恢复到原来的状态。

冯诺依曼讲解了这种效应实际上是在分子水平上进行的,如细胞膜的厚度只有几个十分之一微米左右,即10^(-7)米。这个好像也不太对,我查了下细胞膜的厚度应该普遍在7到8纳米,而纳米是10^(-9)米,可能是受限于当时的测量技术?但在分子水平上,其实无论是电的、机械的、化学的,实际上是一回事了。在宏观尺度下,这些方面都是独立的,但微观尺度下,这些方面就合并起来了,互相之间存在影响和转化的关系。

在神经系统中,大部分的神经脉冲,是由一个或多个其他神经脉冲引起的。神经脉冲的刺激,有可能成功也有可能不成功(即有个阈值,现代的说法),如果失败了,沿着轴突并不会产生扰动的传导。如果成功了,扰动就会形成一种标准的形式,并沿着轴突传导。

我们看一下这一机制的数字性质。神经脉冲可以看做是二值符号,无脉冲时表示为一个值(如二进制里的0),脉冲出现时表示另一个值(如二进制里的1)。在有限范围内,即某一个特定轴突的变化,以及特定时间内,它就可以简单的用一种逻辑作用符号(二进制的0和1)来表示。

神经元轴突发出脉冲,一定是要有触发,这个触发来自于原生脉冲的一定组合和同步性(这个复杂过程不知道有没有被当代科学破解,但目前我看到的很多资料里,实际上仍然解读为从树突来的多个脉冲,并没有更细的描述),从而触发了派生脉冲。

神经系统,具有一种“最初看见的”数字特性。这个“最初看见的”,即包含着某种理想化与简化,如果所有细节现象都考虑,那么数字性质就不那么清楚与毫无疑问了。但是从科学研究来说,抽象出来的这些特点,正是最首要的显著特点。因此如果是从神经系统数字特性来讨论的话,这是比较合适的。

一个神经元里除了轴突,还包括了树突与突触。

树突是从细胞体伸展出来的一组分支,这些分支就是树突。不过冯诺依曼认为这些树突虽然尺寸更小,但也是树突(诶?怪不得他认为轴突可能不止一个),刺激从树突传递到神经细胞体。

突触,是轴突的末端分支,从突触可以连接其他神经元的树突,但实际上现代生物学显示,突触中间还有空档,空档中通过神经递质传递(就是大家知道的各种奇奇怪怪的激素),这里还会存在激活和被激活的更为复杂的过程(估计冯诺依曼那个时代还不知道)。

刺激经过突触的时间,是10^(-4)秒的几倍。即,从脉冲抵达突触开始,一直到被刺激的神经元的轴突之在最近点上发生刺激脉冲为止。但是还有一个问题,即刺激脉冲实现之后,被刺激的神经元并不能立即恢复到它原有的、被刺激前的状态(毕竟是生物型的),这就叫做疲乏。它不能立即接受另一脉冲的刺激,不能做出标准反应。另一刺激能够引起标准反应的时间,大约是1.5*10^(-2)秒。

从上述可以看到,实际刺激通过突触的时间,只需要从激活到恢复的时间段的百分之一二。神经元从刺激过后的疲劳状态恢复到刺激前的正常状态,是挺长的。另外,神经元的疲劳的恢复,也是逐渐的,就是在更早的时间里(大约在0.5*10^(-2)秒),神经元就能以非标准的形式做出反应,就是说,它也可以做出一个标准的反应,但需要更强烈的刺激。

从目前计算机模拟的神经网络里,我没有看到这种设计(至少不是显性的),也可能有科学家尝试过类似的方式,但是因为带入的复杂性并不利于计算而作罢吧?毕竟这种“疲劳”,更像是生物性的,到底能不能给神经网络带来增益,就不好说了。如果大家感兴趣,也可以自己去尝试一下。

人造器官,其实比神经元的作用时间,要短的多。在冯诺依曼时代用到的人造元件,就已经要比相应天然元器件优越,要快10000倍到100000倍。

这两天听说有光电方式构建的神经网络,比之过去的方式还要快10000倍,不知道能不能批量廉价使用。如果可以的话,那就真的是神经网络的大革命了。

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