考恩认识到,在视皮层中,图灵机制或许扮演着某种角色,但他的模型没有考虑噪音,即神经元的随机突发性放电,而这些噪音很可能会干扰图灵机制的作用。与此同时,戈登菲尔德等人则将图灵机制应用到生态学,套入掠食者-猎物动态模型。在生态学情境下,猎物充当活化剂,试图繁殖并增加种群数量,而掠食者充当抑制剂,通过猎杀,控制猎物的种群数量。两者共同作用,形成图灵式的空间分布。戈登菲尔德的研究课题是,掠食者与猎物种群数量的随机波动是如何影响这些空间分布的。他对考恩在神经科学领域的工作有所耳闻,并很快意识到,他的模型或许也适用于考恩的研究。

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原标题:注意!看到这四种图形,你可能是产生了幻觉

多项实验显示,LSD之类的致幻剂能干扰正常的脑部过滤机制——或许就是促进长程抑制连接,帮助随机图灵机制发挥作用,从而使随机信号得到放大。

1952年,英国数学家、密码破译专家艾伦·图灵(Alan
Turing)发表论文,围绕生物界中常见的重复性图案,比如老虎或斑马鱼的斑纹,或是猎豹的斑点,就其生成原理,提出了一种数学机制,即“图灵机制”。长期以来,科学家都知道,鉴于人脑错综复杂、充斥噪音,图灵机制或许并不适用。但考恩的协作者之一、物理学家奈杰尔·戈登菲尔德(Nigel
Goldenfeld)在图灵机制的基础上作了调整,将噪音纳入了考量。从近期两篇论文的实验证据来看,幻觉常形的背后,或许确是这种“随机图灵机制”在起作用。

线条从视野(左边圆形区域)到视皮层(右)的投射。

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校对:李莉

在脑部,种群的随机波动变成了活化与抑制神经元的随机波动。活化神经元的随机激发,会导致附近神经元也被激发。而抑制神经元的随机激发,则会导致附近神经元被抑制。由于抑制神经元之间的连接是长程的,因此随机产生的抑制信号在传播时,会比活化信号传播得更快。戈登菲尔德的模型显示,激活与未激活神经元经过互动,会形成图灵式图形。他称之随机图灵图形。

戈登菲尔德听闻之后猜测,维斯的数据可以从随机视角加以阐释。维斯说,“通过和戈登菲尔德的协作,我们意识到,这些其实是随机图灵机制的结果,于是,我们不再试图减少噪音,或是试图让图形更加规则。”于是,历经17年的探索,今年6月,维斯、戈登菲尔德等人终于发布了他们的论文。

大约十年前,戈登菲尔德和当时的研究生汤姆·巴特勒(Tom
Butler)在探究一个课题:种群数量的随机波动,比如羊群被狼袭击后,掠食者和猎物的空间分布会受何影响。他们发现,当羊群数量相对较少时,随机波动会带来显著的后果,甚至导致羊群灭绝。很显然,生态模型有必要将随机波动纳入考量,而不是平均言之。“我一旦知道了如何去计算模式形成过程中波动所产生的影响,再将其应用到幻觉问题中,就自然而然了。”戈登菲尔德说。

但要正常运转,视皮层必须以响应外界刺激为主,而不是受制于内部噪音的波动。随机图灵图形为何不会随时形成,随时致幻,是什么抑制了它?戈登菲尔德等人认为,虽然神经元放电是随机的,但其连接方式是固定的。活化神经元之间的短程连接十分多见,而抑制神经元的长程连接相对稀少,戈登菲尔德认为,这有助于抑制随机信号向外传播。为印证这一猜测,他们建立了两个神经网络模型。一个基于视皮层的实际连接方式,另一个则是一般化的网络模型,由随机连接构成。在后一个模型中,正常视觉功能严重退化,因为随机放电的神经元放大了图灵效应。“采用一般化连接方式的视皮层,会产生大量幻觉。”戈登菲尔德说。而在前一种模型中,内部噪音则得到了有效抑制。

戈登菲尔德提出,在自然选择中,能抑制幻觉的网络结构得到青睐。在这类网络中,抑制神经元连接稀疏,抑制信号鲜有机会传向远处,这阻止了随机图灵机制发挥作用,从而避免了漏斗、蛛网、螺旋等图形的出现。神经信号将以外部刺激为主——对生存来说,这是有利的,因为假如碰到毒蛇,你可不想被脑中绚丽的螺旋图案转移了注意力。

编辑:颖仔

但没有人知道,从视皮层的固有连接方式,到幻觉中的动态图形,这一步是怎么转变的。

来源:Quanta Magazine

出汗的蚱蜢

图灵自己也承认,这个模型是极度简化的结果,他从未在实际的生物学问题中,应用过这一模型。但它为后人提供了一个基础框架。在1979年那篇论文中,考恩等人指出,在人脑中,扮演活化剂和抑制剂角色的是两种神经元。活化神经元会促进附近细胞放电,从而放大电信号;抑制神经元会抑制附近细胞的活动,抑制电信号。研究人员注意到,在视皮层中,活化神经元之间的连接距离较近;而抑制神经元之间的连接距离较远,形成的网络更广。这很符合图灵机制的要求:两种化学物质扩散速度不同。试想一片平静的神经元之海,其中有星星点点的神经元随机放电,并自发涌现出条纹或斑点,从理论上讲,这也不无可能。也许正是这些条纹或斑点,根据它们走向的不同,才催生了格子、隧道、螺旋和蛛网这些各不相同的视觉体验。

研究人员表示,如果说上述两种生物学情境中,都有随机图灵机制的身影,那么在视皮层中,同一种机制发挥作用的可能性就又大了一些。上述发现还表明,在生物体中,噪音扮演着多么关键的角色。生物系统的运作和计算机编程,这两者并没有直接的关系,维斯说,“生物需要另一种框架,另一种设计原则。噪音就是其中之一。”

美高梅注册,当初,图灵在那篇论文里提出,斑点等图案源于同一个系统中,两种化学物质在传播时发生的互动。在一个密闭的房间内,气体会均匀分布,直到各处密度均等。但如果是两种化学物质,由于在系统内的扩散速度不一,它们在各处的浓度各不相同,这就形成了各种斑纹。两种化学物质中,其中一种充当活化剂,表达特定性征,例如某种斑点或条纹的色素,另一种则充当抑制剂,干扰活化剂的表达。试想这样一幅场景:有这样一片枯草地,上面停着很多蚱蜢。若你随机取点放火,那么在毫无水分的情况下,整片草地都会过火。但如果火焰温度导致蚱蜢出汗,打湿周围草叶,那么最后,草地就会留下星星点点的未过火之处。这个充满幻想色彩的类比来自数学生物学家詹姆斯·穆雷(James
Murray),它阐释了经典版的图灵机制。

戈登菲尔德等人尚未通过实验,验证他们的视幻觉理论,但近几年来,有确凿证据表明,生物系统中的确有随机图灵机制的身影。2010年前后,戈登菲尔德听闻了麻省理工学院合成生物学家罗纳德·维斯(Ronald
Weiss)的研究。维斯花了很多年时间,试图找到合适的理论框架,去解释一些耐人寻味的实验结果。

在那之前,维斯的团队培养过细菌生物膜。他们通过基因改造,使细菌分别表达两种信号分子。具体而言,就是采用荧光标记物,给信号分子做标记,使活化剂发出红色荧光,抑制剂发出绿色荧光。实验开始时,生物膜还是均质的,但随着时间的推移,图灵机制图形开始显现,一片绿色之中点缀着红色波点。然而,比起猎豹等动物的斑点,这些红点的分布要杂乱得多。进一步的试验也未能呈现出理想的结果。

“如果皮层中到处都是这种长程的抑制连接,那么,形成幻觉图形的倾向就会超过处理视觉输入的倾向。其结果将是灾难,我们可能都不会生存至今。”托马斯说。正是由于长程连接很稀疏,“除非通过强制手段,比如服用致幻剂,否则这些模型不会自发形成幻觉图形。”

我们所“看见”的画面,其实是视皮层中兴奋神经元构成的图形。视野中的物体反射光线,使之进入人的眼球,聚焦于视网膜,视网膜上遍布感光细胞,将光线转化为电化学信号。这些信号传输到大脑,激发视皮层神经元,构成图形。通常情况下,这些图形会再现物体反射出来的光线,但有时,没有外部刺激,图形也会自发涌现,有的是来自皮层神经元的随机放电,属于身体内部噪音;又或者,精神类药物等因素扰乱了正常的脑功能,促进神经元随机激发——这据信就是幻觉产生的机制。

关于幻觉,还有很多问题有待我们去思考。1935年,存在主义大师萨特在巴黎试验了一种名为麦司卡林的迷幻药,在之后的数周内,他的视觉感官都是扭曲的。房子“面目狰狞,长着眼睛和下巴”;时钟成了猫头鹰;他走到哪儿,身后都跟着“螃蟹”。比起克鲁弗的“常形”,这些幻觉的形态要高级许多。“初级的视幻觉非常简单——都是几何图形。”厄门特劳特说。但当高级认知功能(比如记忆)介入时,他说,“幻觉就开始复杂起来,你开始去辨别它们是什么。我想,你所看到的,不过都是高级脑区兴奋之后,记忆中所存储内容的自发涌现。”

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面目狰狞的房子

约过了50年,芝加哥大学的杰克·考恩(Jack
Cowan)试图从数学角度,复制这些幻觉常形,以此窥探大脑的线路连接。1979年,考恩和当时的研究生巴德·厄门特劳特(Bard
Ermentrout)以一篇开创性的论文,报告了以下结果:视觉皮层第一层神经元的电活动,可以直接转化为致幻剂作用下,人们常看到的几何图形。“从数学层面分析,以人脑皮层的构成方式,它只能产生这几种图形。”考恩在最近接受采访时说。从这个意义上讲,幻觉中所折射出来的,正是脑神经网络的架构。

致幻剂会触发一些典型的幻觉,一直以来,科学家都以此窥探脑神经的连接方式。经过近一个世纪的探索,一个答案终于清晰起来。

回到上世纪20年代,在克鲁弗的实验中,还曾有受试者出现触幻觉,比如感觉蛛网爬过皮肤。厄门特劳特指出,躯体感觉皮层上映射着一种蛛网状常形,与这种幻觉对得上号。类似过程或许也体现在听觉皮层之中,或许不但是幻听,连耳鸣等现象都可以由此解释。考恩认同此说,他指出,类似的连接方式遍及整个脑部,因此,如果某种幻觉理论“适用于视觉,它也会适用于其他所有感官。”

但如果幻觉中的几何图形,就比如克鲁弗的四种常形,是视皮层神经活动的直接结果,问题就来了:这种活动何以自发产生?既然能自发产生,为什么我们不会一直产生幻觉?随机图灵机制也许能同时解答这两个问题。

翻译:雁行

上世纪20年代,一个名叫恩里希·克鲁弗(Heinrich
Klüver)的知觉心理学家把自己当小白鼠,进行了视幻觉研究。一天,在明尼苏达大学的实验室里,他吃下了致幻仙人掌乌羽玉的一个风干切片,并详细记录了毒素作用之下,视野出现的变化。他注意到,一些图形反复出现,而且它们很像古代洞穴壁画,也很像胡安·米罗(Joan
Miró)的画作。他由此猜测,也许,这些图形是人类视觉中固有的。他将这些图形归纳为四种“常形”:格子(包括棋盘格、蜂窝格和三角格)、隧道、螺旋和蛛网。

但为什么都是克鲁弗归纳的这些形状?对此,考恩等人提供的解释得到了广泛认同:这些图形是人的视野在初级视皮层中的投影。“如果你打开一个人的脑,观察其中的神经元活动,你不会像透过镜头一样,看到此人视野的投影。”考恩的协作者彼得·托马斯(Peter
Thomas)说。这些图像投射到皮层的过程中,会经历坐标转换。如果神经活动呈现的形式,是放电神经元和非放电神经元交替而成的线条,那么,这些线条的走向决定了你看到什么。若线条都朝同一个方向,你视野中看到的就是同心圆;若线条相互垂直,你看到的就是放射线,即所谓的“隧道”形状,一如濒死体验中,隧道尽头射过来的光线。若线条是斜线,你看到的就是螺旋形。

生物膜之所以形成随机图灵图形,是因为基因表达过程充满了噪音。以色列魏茨曼科学研究所的乔尔·斯塔万斯(Joel
Stavans)说,正是因为这些噪音,才有了细胞之间的差异,即细胞基因组成相同、但行为各异的现象。在最近发表的研究中,斯塔万斯等人探究了在蓝藻中,基因表达的噪音如何导致了随机图灵机制的产生。研究对象是鱼腥藻,属于蓝藻的一种,其结构十分简单,是一个细胞串,细胞逐一连接,形成长链。鱼腥藻的细胞可通过分化,分别执行两种功能,一种是光合作用,另一种是将空气中的氮转化为蛋白质。一个鱼腥藻的构成可能是这样的:先是一个固氮细胞,然后有10或15个光合作用细胞,再来一个固氮细胞,以此类推,形成随机图灵图形。其中,充当活化剂的是一种蛋白质,它能通过正反馈循环,产生更多此类蛋白质。与此同时,它还可以生成其他蛋白质,扩散到其他细胞,抑制前述蛋白质的产生。这就是图灵机制的主要特征:一种活化剂和一种抑制剂相互较劲。在鱼腥藻中,这种竞争的驱动因素就是噪音。

克鲁弗归纳的四种常形:格子(图示为蜂窝格)、蛛网、隧道(或称漏斗形)、螺旋

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