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深度剖析諾貝爾醫學獎:大腦GPS 究竟是個什麽東東?

來源: http://news.iheima.com/html/2014/1007/146303.html

本文作者為劉芳德博士,是英國帝國理工學院研究員,主要研究方向為腦外科微創手術機器人,以“高斯”筆名長期為國內外科技媒體撰寫專業文章,也曾為i黑馬網寫過有關手術機器人的稿件。本文是我們約請他就諾獎得主寫的特稿。

i黑馬導讀:10月6日,諾貝爾醫學獎揭曉,獲得者是一位英國科學家及兩位挪威科學家,研究方向為大腦定位系統(GPS)。人就是一部計算機,每天的日常思考,如自己在哪兒、A地到B地怎麽走等,大腦都經過了極其複雜的運算。三位獲獎者的理論對這個過程進行了全面揭示。



2014年的諾貝爾醫學獎己經揭曉,第一時間聽到消息與獲獎人,我感到驚喜又意外。在自己的研究過程中,曾經UCL神經學研究團隊有過合作,而且熟知place cell和grid cell的研究成果。UCL在神經感知學上的成績跟實力是不容置疑,但是沒有想到最後會得醫學跟生理學獎。自己根據理解對place cell跟grid cell的研究跟影響談一下自己的看法。
 
之所以說意外,是因為此次獲獎研究並不是傳統意義上的醫學。嚴格的說,應該算是感知學,跟心理學和行為學關系緊密。研究目的也不是治療疾病,而是理解大腦運行的機制。感知學研究中,處於核心地位的常常是數學家跟計算機科學家。從計算機角度說,我們也可以叫做大腦的反向工程,是人工智能研究中的一個方向。這次諾獎主要頒發給理解人腦空間思考能力的研究,除此之處,在這個領域中還有幾個方向非常有意思,如視覺、運動控制、語義記憶、情感。神經感知學最初被視為醫學一個分支,目前很多時候會被視為信息科學,還有一些人把這個學科看成是終級哲學。自達爾文之後,我們知道人不過是一種動物,而神經感知學之後,我們知道人腦不過就是部計算機,思維只是信號處理過程。
 
在神經感知學研究中,跟語義情感相比,空間思維這個方向爭論己經較少,證據充分而且理論完備。在諾獎的介紹中,說成是大腦的GPS,這是個很形像的比喻,但是並沒有充分揭示其複雜性。生物的空間定位問題跟飛機的定位本質是一樣的,這個問題並不簡單。任何一個定位系統必須要有傳感器及信號處理系統,幾何計算器系統。在航空中,我們有GPS和雷達,信號用數字編碼,幾何計算用數字計算機。問題是老鼠怎麽做的呢?傳感器老鼠可以用視覺聽覺觸覺,信號用神經脈沖,如何從這些視覺聽覺信號中提取空間信息一直是計算機科學中的一個難題,更有意思的問題是,老鼠會不會幾何與數學計算,如果老鼠不會,那它怎麽進行空間定位;如果老鼠會,那幾何學究竟是希臘人發明的,還是老鼠發明的呢?其實還有一個更有意思的問題,數學幾何這些邏輯學究竟來源於天才的創造,還是我們一種固有的能力,早己經被硬編碼到了大腦中?今天諾貝獎的研究,最終揭曉就是這些問題。
 
第一個突破是由ucl的John O’Keele做到的。John在海馬體中找到了“位置”細胞。值得註意的是,位置細胞並不是坐標,位置細胞用來標記在空間中不同位置的感知體驗,而海馬體是有持久記憶功能,place cell是實際揭示了記憶按空間組織的方式。我們只知道在不同位置,我們的視聽鹹受不一樣,也知道不同的視聽感受對應不同的位置。place cell並沒有幾何計算的功能。在實驗中,place cell改變管道的形狀,激活狀態沒有顯著變化。place cell之後,又發現了orientation cell、grid cell與boundary cel、orientation cell標識頭部方向的細胞,跟place cell 功能類似,只是處理的傳感器信息不同。boundary cell通常被認為標識空間障礙的,是最後被發現的,grid cell被發現之後,boundary cell的存在幾乎在理論上就確定了。grid cell信息功能非常豐富,回答了空間智能的核心問題,所以發現者May-Britt Moser and Edvard I. Moser分享了諾貝爾獎。在神經學中,grid cell 位於視覺信息跟記憶海馬體的接口位置。如果把記憶海馬體,想像成硬盤,眼睛想當於攝像頭,grid cell大致相當於內存。
 
grid cell的發現表明老鼠在定位的過程中,空間是被分成有等邊三角形。這個由三角形構成的地圖的結構跟形狀是固定不變的,只是在開闊的空間中三角形變大,在陜小的空間中三角形變小。在三角形中間時,用了一種類似於barycentric coordinates(到三角形三個頂點的距離)的原理定位,這跟今天的GPS原理是一樣的。Grid Cell除了有幾何計算的功能,還有數值積分功能。可以在大腦中,把老鼠自己的運動積分畫在地圖上。至此,困擾人類幾千年的問題有了答案。歐氏幾何其實是生物固有的一種能力。老鼠除了歐氏幾何,還會二維的向量代數,跟數值微積分計算,這些寫在了我們的基因中。在諾獎得主的工作之上,目前我們己經可以通過電極信號來計算出老鼠的位置,也有研究人員通過改寫place cell,修改老鼠對空間跟環境的記憶。
 
place cell研究跟grid cell研究對今天的人工智能特別是機器人系統啟發很大。place cell其實是空間索引的數據庫,而grid cell是幾何計算器。在信息組織上,place cell描述的是個拓撲空間,而grid cell描術的是歐氏空間。這種組織跟我們目前計算機科學中的技術完全不同,並有非常強的優勢。舉一個例子,我們現在的計算機系統中,老鼠問計算機我在哪,計算機會說北緯30度,老鼠又問冰激淩在哪,計算機會說30度1分。對老鼠而言,這類信息處理起來很困難,因為老鼠身上沒有雷達。如果問place cell冰激淩在哪, place cell會說向前走,看紅燈左轉,再向右走,看見一個紅房子,門進去桌子上的就是。它的信息跟老鼠感知的信息很接近,另一點是冰激淩位置發生一些變化後,也還適用。當老鼠出門之後,就開發在grid cell上畫圖。老鼠的耳朵起到了加速度傳感器的作用,grid cell就對老鼠的運動積分。如果當老鼠返回的時看見貓了,它就在grid cell在將貓標識成障礙,自己繞道回來。
 
我們可以看到,空間思維能力對生物的生存其實是至關重要的。飛機的定位系統簡單,但很難同環境結合起來。而生物學的定位方法是建立在環境感知基礎上的,它擁有很好對環境變化的適應能力,而且跟運動控制跟視覺聽覺系統結合的更好。這些特點在目前的自主駕適汽車跟智能機器人的研發中,是核心的問題。一般來說,飛機的系統只能支持簡單的定位,而生物的定位系統可以支持更為複雜的決策。
 
大腦GPS系統的研究在醫學上可以用來治療部分腦病,而且也提供腦病病人開發植入芯片的空間。可以說matrix跟inception的己經在原理上可以實現了。但它更主要的作用是在人工智能領域。UCL神經學研究團隊的幾個研究員,創立的一個叫DeepMind的公司,主要的目標就是按神經學的原理設計智能機器人,讓機器人像人一樣思考。最近DeepMind的機器人可以不用任何人教,坐在計算機看一會就會玩電腦遊戲,這家公司去年被谷歌收購。而且歐盟啟動的歐洲大腦計劃可以看成是一個放大此次諾獎的研究方法。計算機算法的研究己經退居二線,反向腦工程目前處於智能研究的最前沿。

普通人可能感覺計算機科學的進步只是四核手機從1999元變成了八核的1799元,但是更深刻的變化己經發生。這次諾獎再一次展示了歐洲學者喜歡問跨學科基本問題的特點:什麽是空間,什麽是時間,什麽是質量,什麽是思想,什麽是生命。在這些問題上,歐洲的天才們又領先了四十多年。四十年之後,我們越來越感受到他們思想的力量。作為造物者的信使,John O´Keefe,May‐Britt Moser 和 Edvard I. Moser值得全人類鼓掌和尊敬。
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