大腦由內而外認知世界-科學人雜誌
神經科學

大腦由內而外認知世界

2022-08-01 布薩奇(Gyorgy Buzsaki)
大腦探測外在環境,只選出有利生存繁衍的必需資訊,繼而採取行動。
▲ (繪圖:Islenia Milien)

當年我身為醫學院的年輕授課教師,曾經忠於教科書的內容講授神經生理學。我熱誠地解釋大腦如何感知世界,進而控制身體:把從眼睛和耳朵等感官輸入的資訊轉化為電生理訊號,並傳送至相關感覺皮質來處理產生知覺。為了產生動作,運動皮質的神經電脈衝會引導脊髓中的神經元使肌肉收縮。

大部份的學生滿意我對於大腦輸入與輸出機制的教科書解釋,然而有少數聰明的學生總是會問一些棘手問題:「知覺從大腦何處產生?」「動手指時,在運動皮質的神經元活化前,發生了什麼事?」我會用一個簡單的答案打發這些問題:「一切都發生在新大腦皮質中。」接著我就有技巧地改變話題,或者丟出一些學生不懂但聽起來又具科學專業的艱澀拉丁文專有名詞,用那些帶有權威的解釋暫時滿足他們。

就像其他年輕學者,我剛開始研究大腦時,並沒有太擔心「知覺—動作」理論模型究竟是對是錯。我很高興看到自己的研究進展,而且有許多重要發現在1960年代逐漸發展成現在眾所周知的神經科學。然而,當年面對那些聰明學生的合理問題卻無力回答的夢魘,卻一直困擾著我,我必須跟學生試圖解釋某種我並不全然了解的事物時曾讓我很掙扎。

這些年來我發現,並非只有我有這種挫折感。許多同事其實都有相同感受,無論他們有沒有承認。不過,這件事有光明的一面,因為這種挫折感讓我對研究充滿活力。這些年來,它一直推動我發展出新觀點,讓我針對大腦如何與世界互動提出不同解釋。

對我和許多神經科學家來說,最關鍵的問題是:到底什麼是心智?從古希臘哲學家亞里斯多德(Aristotle)的年代開始,就有思想家主張心智一開始有如一片空白石板,唯有經驗可在上面刻下痕跡。這觀點影響了基督教世界、波斯哲學家、英國經驗論以及馬克思主義。20世紀,此觀點也常見於心理學與認知科學領域,在這種「由外而內」的觀點下,心智是一種用來學習世界真實本質的工具。

另一類觀點(我的研究以此為主)則認為,大腦神經網絡的主要工作,其實是要維持自身內部動力,並產生各種和知覺有關的神經活動。當一個看似隨機的動作對該生物的生存有益時,該動作背後的神經活動就會產生意義。例如當寶寶說出「泰泰」時,父母就很高興地遞上「泰迪熊」,此時「泰泰」這個聲音就獲得了泰迪熊這個意義。最近的神經科學研究也找到了支持此觀點的證據。

大腦再現外在世界嗎?

千年前的思想家在解釋心智運作機制時提出了空白石板概念,而現代的神經科學家則繼承了此架構。即使在今日,我們也仍在尋找此概念背後的神經機制。這種由外而內的理論架構非常強勢,可從傳奇雙人科學家休伯爾(David Hubel)和維瑟爾(Torsten Wiesel)的研究窺知一二。他們透過記錄單顆神經元的電生理變化研究視神經系統,因此榮獲1981年諾貝爾生醫獎。

這兩位科學家在經典實驗中讓動物觀看各種影像,然後記錄下神經元的反應。他們發現移動的線條、邊界、明亮或黑暗區域等不同視覺刺激,會導致不同群的神經元反應,因此認為神經運算可能是由簡單的圖樣開始,然後再合成比較複雜的圖樣。這些視覺特徵最後會在腦中某處整合,用以表徵物體。整個過程並不需要有人主動參與,大腦就可自動完成這項任務。

這個由外而內的理論架構認為,大腦的基本功能就是要感知來自外在世界的「訊號」進而正確詮釋。然而,若此假設為真,就必須要有另一個額外的運作機制來對這些訊號做出反應:介於知覺輸入和輸出,應該要有一個中央處理器,它會接收外在環境的感覺表徵,並決定如何處理以做出正確反應。

由外而內理論架構中的中央處理器究竟是什麼?這個大家了解甚少的假設性實體有許多名字:自由意志、腦中小人、決策者、執行功能、介入變項或簡稱為「黑盒子」。之所以會有不同名稱,是因為有各種因子會造成不同的解讀:包括實驗人員的哲學立場、特定認知活動是關於人腦和其他動物大腦或是電腦模型等基礎知識。但無論如何,這些不同的概念指的都是同一件事。

在應用層面上,由外而內的理論架構有一個內隱的意涵,就是當代神經科學下一個前進目標:應該著眼於尋找假想的中央處理器在腦中的位置,並以有系統的方式描繪出行為決策的神經機制。事實上,行為決策的生理機制已是當代神經科學中最熱門的研究領域之一。高階腦區中的前額葉一般認為是「所有資訊匯集之處」以及「所有輸出的起始位置」。然而當我們仔細檢視這個由外而內的理論架構時,卻發現它其實站不住腳。

這個理論架構無法解釋照射在視網膜上的光子如何轉化成某次夏天出遊的回憶。由外而內的理論架構需要人為介入:一位實驗者去觀察該事件。實驗者是必需的,因為即使神經元會在感官受到外界刺激(例如光或聲音)時出現反應,這些反應也不會在根本上「表徵」任何一種可為大腦吸收或整合的事件。

由外而內vs. 由內而外

經驗可寫在大腦空白石板上的這種想法自古已有,而且在今日仍傳承下來。有些神經科學家已開始質疑此理論,因為它有一個難以說服眾人的假設:我們需要一個假想的「實驗者」來幫助解釋人類如何覺知外在事件。



例如眼前有一朵玫瑰時,視覺皮質中對玫瑰有反應的神經元根本就毫無作用。它們並沒有「看見」玫瑰的樣子,而只是根據先前腦區(包括從視網膜開始的複雜路徑)的反應來產生電生理訊號。

換言之,感覺皮質中的神經元、甚至是假想的中央處理器中的神經元,都無法「看見」發生於外在世界的事件。腦中並沒有一個實驗者賦予意義給這些神經反應模式。在沒有全知的實驗者、也沒有神奇腦中小人監視所有神經元的情況下,負責處理這些資訊的神經元無法得知引發一切神經變化的外界事件。神經活動的起伏變化只對實驗者有意義,因為他們能站在特殊地位,同時觀察到外界事件和腦內事件,並比對這兩個角度觀察到的現象。

知覺就是我們的動作

由於腦中的神經元無法直接感知外在世界,它們必須把自己的反應模式和某個對象進行比較或「接地」(grounding)。接地意指大腦對感官輸入而導致的神經反應模式的變化賦予意義的能力。只要把神經活動和外界事件相連,大腦就能賦予意義。「--‧」的摩斯碼之所以有意義,是因為它先前已經和英文字母G配對。在大腦中,另一個可取得的有意義資訊,就是我們開始做某個動作的時候……


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