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记忆的天空:“崩塌型”记忆活动原理

已有 495 次阅读 2019-9-25 21:51 |系统分类:科研笔记

      记忆是大脑活动原理的重要研究内容。相对于现代科学的高速发展,人类对于大脑活动原理的了解仍处在初级阶段。差不多半个多世纪之前,意识灵魂论的观点还非常盛行,即使在当下,一句科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了的文学性语言,让许多人开始想入非非。在信息传播高度发达的今天,最强大脑、挑战记忆极限等众多现实案例,不仅让普通大众惊叹不已,同时也向脑科学研究专家提出了严峻的挑战 --- 以往发表的大量研究论文能解释这些现象吗?出于对脑科学研究的兴趣,笔者计划撰写“记忆的天空”系列短文,“崩塌型”记忆活动原理为开篇,为读者提供记忆活动原理的另类思考。

一、物理性的信息处理与生物性的神经活动

在自然科学领域,神经元活动属于生物学范畴,而信息加工处理应列入物理学范畴。两个不同学科领域的规则体系如何在神经的活动机制中融为一体?寻找两者的共同点或许就是大脑活动的奥秘所在。

物理性层面的规则:所谓记忆信息,其内容必须具有特定含义且能任意组合,其媒介必须可以相互传递且能存取。在人类创造的现有科学理论中,比较各类冠以信息之名的不同介质,唯有电信息符合这一要求。因此,讨论脑内信息活动必须基于电信息为前提。在物理性层面,电信息以信号频率的差异化组合为内容,其储存和读取具有不变性。这是现代通信技术的基础规则。因此,一条信息内容必定会有一组特定的信号频率集合与其对应。

生物性层面的规则:神经元活动产生电信号是一个公开的秘密。但是,一个胞体尺度只有微米级别的神经元,其周围可以长出成千上万的树突,他们的电信号该如何运作却鲜为人知。二十多年前,神经科学家在神经元的电信号测试实验中发现:“树突本身有一个独立的团体,它们不依赖其他细胞产生动作电位。信号也不一定传给细胞体,它们有严格的局部约定[1]102”。既然每个树突都能产生一个独立的电信号频率,那么,一个神经元成千上成万树突发放的信号频率集合就是一条特定内含的信息单元,当大量的神经元关联组成一个神经网络时,不同信息单元(神经元)的组合即为一个对应的记忆事件[2]

树突电信息-记忆故事.jpg

 

信号频率与树突尺寸的关联是自然界的一种基本特性。你一定会在电视节目或现实生活中见过乐器达人的演奏技能。表演者用两根筷子在一排不同水容量的玻璃杯子上敲打出一曲优美的音乐旋律。不同水线高度的玻璃尺寸和神经元树突的长短大小各自都有固定的振动频率(称为固有频率)。杯子的差异化振动频率可以演奏出一段优美的旋律;差异化的树突活动同样也能表征出一条特定的信息内涵。这就是物理层面的自然规律与神经元特定形态之间的可融通之处[3]

二、城市高楼的定向爆破与记忆信息的“崩塌型”存取

现代科学为了提升计算机的运算效率,选择的举措之一是不断增加信息处理的并行数量,8位、32位,64位等。但是,并行容量的每一次提升均意味着技术难度的几何级数增加。正是基于充分理解运算效率提高之不易,人们才对大脑极高的信息处理效能感到不可思议。一直以来,许多脑科学研究者顺着计算机信息处理的惯性思维,执迷于大脑“线路板模式”的误区中寻找答案。

事实上,大脑中不可能存在固定的信息传输线路,更不存在复杂的信息加工模块。大脑记忆信息的储存和读取遵循物理学的谐振原理。没有错!就是你在中学物理课学到过的共振原理。典型的例子是收音机的接收原理。你操作调谐按键选择电台的过程,也正是收音机内部振荡频率的改变过程。在浩瀚的太空中,当收音机的振荡频率与空中的某一电波频率形成同频耦合、产生谐振后,你所渴望的电波信号即已找到。那么,按照谐振原理,大脑外部的一条信息可否在端脑海量的储存信息中找到原有的记忆呢?答案显然是肯定的。

 崩塌高楼-定向爆破.jpg

你在电视节目或现实生活中肯定见过城市高楼的定向爆破过程。在爆破电源接通之后,一幢几十层的高楼瞬间崩塌、振成碎片。这是复杂的固定结构运用谐振原理产生的崩塌反应。爆破工程师按照各个节点的固有频率高低,在大楼的几万个关键节点嵌入相应数量的炸药。虽然每个爆炸点的爆炸能量都很小,但是,当几万个爆炸点同时起爆时,各个节点振动频率的耦合正好符合整幢大楼的崩塌要求。将“崩塌型”的谐振原理用于解释记忆信息的储存和读取过程或许是最合适的例子。在密集的城市楼群中崩塌一幢大楼与在海量的端脑信息中寻找到一条信息几乎具有等同难度。振动频率的耦合谐振是唯一的最佳途径。

三、全脑储存的记忆事件与独立“崩塌”的谐振活动

当你听到一个熟悉的声音时,你的意识感知中立刻闪现熟悉者的面容以及亲密程度。这是不同记忆信息储存在各个脑区的一个关联事件。表征视图、声音、情感的信息分别储存在端脑左右半球的不同脑区,神经元轴突延伸和突触关联使得不同脑区的信息组成为一个特定的记忆事件。记忆事件的全脑储存使得端脑的神经网络变得极为复杂。因此,记忆信息发放不可能通过线路传导完成。

因为外部信息内容与记忆神经网络的树突固有频率集合完全相等,所以,“崩塌型”谐振能够严格限定于单个记忆事件所对应的神经网络,而谐振范围可以横跨不同脑区,且不影响相邻神经元所处的原有状态。正如定向爆破不会伤及周边楼群。大脑活动的这种现象已被世界各国大量的脑功能磁共振成像(fMRI)实验所证实。现实中,无论你在何时、何地、何种情景,茫茫人海中只要一见到亲人、朋友或同事,你绝不会等待“信息传导线路”查找清楚后再做出判断。当眼睛采集的信息与端脑神经网络储存的信息形成“崩塌型”的神经活动后,“崩塌”神经网络发放的信息才是最快、最准确的储存信息--记忆,等待指令的感知神经才能做出后续的相关反应。

自然进化的美妙之处往往超乎人们的想象。“崩塌型”记忆以最小的能耗形成最高的活动效率。如此美妙的天造之作,难道不值得我们为自己颅内1500克左右的大脑神经骄傲!

 

参考文献

[1] ()苏珊.格林菲尔德.大脑的故事: 打开我们情感、记忆、观念和欲望的内在世界[M].黄瑛,.上海: 上海科学普及出版社,2004.4.

[2]钟振余.神经元集群功能: 意识形成的新解释 [J].浙江外国语学院学报,2016( 5)102-107

[3]钟振余.记忆信息与大脑神经元固有频率的关联性[J.宁波大学学报:教育科学版,2016( 1) : 6-10

 

 



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1 都世民

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