两种脑研究模式的两种不同结果

               ---再议“大脑中的GPS”  

                      都世民

                         概述两种研究模式

笔者前面博客讨论了2014年诺奖得主提出的“大脑中的GPS”的论点。本文换一个视角再来讨论这一问题。其视角是从选择不同脑研究模式：一种称之为从下向上；另一种是从上向下。按文【1】论述：

目前神经科学发展的一个重要方向，是在从分子、细胞水平到系统和整体水平上揭示大脑高级认知功能的工作原理。脑—智关系是人类自然科学史上最复杂、最困难的问题，人类对脑—智关系的研究已有数千年的历史，现代神经生物学与认知科学和心理学的密切结合，标志着人类对自身特有的精神和心理活动的研究、对认知本质和规律的研究以及对人脑与智力和创造性的关系的研究，进到一个建立在现代科学基础上的新阶段。

神经科学的一个重要发展方向，是研究脑的正常功能及其功能失常和紊乱的机制。近20多年来，呈现两大研究趋势：一方面，在分子、细胞水平上研究脑功能和脑疾病机理；另一方面，在系统和整体水平上对脑功能进行多层次的整合研究。相应的高时空分辨和在体实时脑功能检测技术正在快速发展，推进了对感觉、学习、记忆、决策、语言、认知、情绪等脑高级功能机制的了解。

莫泽夫妇的研究模式是在分子、细胞水平上研究脑功能。即是从下向上的研究模式。另一种研究模式则相反，在系统和整体水平上对脑功能进行多层次的整合研究。

文【2】作者以大脑信息整理为基础，讲述了以大脑感觉区和运动区为主要构成部分的信息输入和输出的结构，逐一介绍了1小时大脑准备法等将大脑所理解的东西付诸实践的58个工作术。

应当指出的是：莫泽夫妇的研究方法是利用大鼠做试验对象，而文【2】则是以人为研究对象。                    

                    一位医学博士对诺奖的解读

2014-10-7，英国帝国理工大学的刘芳德博士，以“蚂蚁猎手”为户名，发布一文：“大脑GPS 究竟是个什么东东？”

刘芳德博士指出【3】：

1.人就是一部计算机，每天的日常思考，如自己在哪儿、A地到B地怎么走等，大脑都经过了极其复杂的运算。他的这一看法与一些脑专家看法是有差异的。有的专家认为是超级生物计算机。这些说法没有涉及感官及其与脑器官的关联。

2.莫泽夫妇被认为原创部分：是位置细胞和网格细胞。Place cell and grid cell的研究成果,应该属于感知学，跟心理学和行为学关系紧密。刘芳德认为莫泽夫妇得奖不应该是医学跟生理学奖。因为莫泽先生获奖不是治疗疾病，而是理解大脑运行的机制。理解人脑空间思考能力的研究。

3.在诺奖的介绍中，说成是大脑的GPS，这是个很形像的比喻。但是并没有充分揭示其复杂性。生物的空间定位问题，本质上跟飞机的定位是一样的。这个问题并不简单。任何一个定位系统必须要有传感器及信号处理系统，几何计算器系统。在航空中，我们有GPS和雷达，信号用数字编码，几何计算用数字计算机。

笔者认为刘博士和莫泽夫妇对GPS本身的理解不全面。其原因是：一是大脑内信息传输是由电流作为信息载体，不是电磁波作为信息载体。二是GPS由卫星和地面站两部分组成，其间由电磁波沟通；三是必需有天线分系统；四是天线有收发电磁能量的功能，还有传感器功能。五.测向是由天馈系统形成差波束，以提高测向精度。六.作用距离取决于系统辐射功率。七.系统各个分机由电源分系统分别供电。这几方面与大脑都不同。用GPS比喻大脑功能很不恰当。

4.老鼠有眼、耳、鼻、舌、身五感官，信号是神经脉冲，即细胞内放电。但人有六感官，即眼、耳、鼻、舌、身、意六感官。两者有区别。莫泽先生叙述和先前的解读都未谈到从感官信息中怎样提取空间信息。在雷达定位中，是由天线产生和、差波束，通过比幅和比相来测角。老鼠的细胞怎么定向？机理说不清楚！雷达的计算都是由数字计算机及软件完成。老鼠的细胞是完不成数字计算任务。

5.莫泽先生重要发现是在内嗅皮层区定义“位置细胞”、“边界细胞”“方向细胞”、“速度细胞”,都是在这一区域。而文[2]则强调感官信息与运动区的关联。老鼠的速度细胞应该与运动区有关。

6.大脑的‘感觉区学习回路’和”运动区学习回路”是有区别的．感觉区学习回路是指通过视、听等感官来接受信息的区域。而运动区学习回路是指通过手、脚运动来输出信息的区域。问题在于，这两种回路在大脑中不是直接相连的．

7.问题是内嗅皮层区如何从感官区提取信息？特别是大鼠运动信息怎么与内嗅皮层区关联。内嗅皮层区、运动区之间的关系是什么？所以笔者认为莫泽先生的实验研究不充分。没有体现大脑是复杂的非线性并行系统。而是将大脑变成“电生化装置”。这样的结果有一定的人为推测成份，结论可能是不稳定的。

8.John在海马体中找到了“位置”细胞。“位置细胞”并不是坐标，位置细胞用来标记在空间中不同位置的感知体验，而海马体是有持久记忆功能，place cell实际是揭示记忆按空间组织的方式。place cell并没有几何计算的功能。在细胞层面，位置细胞是分不清东、南、西、北、中、上、下。细胞也无法测定或计算时间、距离、速度。

9.体现定位的另一要素是座标原点到待测点的距离，坐标确定的前提下，能量与待测距离有关。雷达测距与空间场强大小紧密相关。细胞凭什么能量测距呢？离子通道的神经脉冲幅度如何改变？机理不清楚。

                       结论与讨论

以上分析表明：

1）大脑中的GPS比喻不能成立。无论是结构组成或工作机理均无类似之处。

2）关于认知地图的结论，机理不清，因果关系不成立。作为地图的几个要素不具备确定的条件。例如，东、南、西、北、中、上、下；两个层面的比例关系；感官信息与运动区、内嗅皮层区相互关联不清楚。

3）更重要的是不能将大脑看成“电生化装置”。

4）从下向上的研究方式,一定要说明宏观层面与微观层面是怎么链接的，理论分析和试验研究要充分考虑大脑的复杂性。

5）莫泽夫妇被认为原创部分：是位置细胞和网格细胞。Place cell and grid cell的研究成果,应该属于感知学，跟心理学和行为学关系紧密。作者认为莫泽夫妇得奖不应该是医学跟生理学奖。因为莫泽先生获奖不是治疗疾病，而是理解大脑运行的机制。理解人脑空间思考能力的研究。

刘博士的这一看法有道理，莫泽夫妇的原创是以位置细胞、方向细胞、速度细胞和网格细胞为中心。这是与感官信息有关。莫泽夫妇的试验研究没有说明细胞层面的坐标系如何选定；没有方向标识；没有几何参量的计算方法及结果。而是通过微电极采集了大鼠在不同位置的细胞层面的感受。记录的这些感受，由电脑荧屏标示，当作记忆的组织方式。实际上速度细胞是不能给出距离量值和时间量值，并计算速度值。细胞无此功能。是实验者自我心理导向界定的。实际上莫泽夫妇并没有揭示大脑的空间思考能力和机理。

如果莫泽夫妇是研究感知学，却没有从眼、耳、鼻、舌、身、意出发，研究这些感官产生的信息，及其与脑神经系统的关联。阐明感官信息如何提取？传输到脑神经系统这些感官信息是如何整合？并排除它们间的相互干扰。由这些整合信息来研究目标定位。

李奇等【4】提出的研究模式就是从感知学角度出发。实际上这是自上而下，在系统和整体水平上对脑功能进行多层次的整合研究。莫泽夫妇的研究模式却是反向的。是在分子、细胞水平上研究感知。为此刘芳德博士称其为“反向脑工程”。目前处于智能研究的最前沿。

                                 参考资料

【1】未来1 0年  中国学科发展战略，脑与认知科学，国家自然科学基金委员会，中国科学院，一北京：科学出版杜，2011。

【2】大脑活用工作术，著    者，【日】茂木健一郎，译  者：千太阳，出版发行：—北京：中信出版社，2012.4。书名原文：腦を活か，す仕事術。

【3】刘芳德，深度剖析诺贝尔医学奖：大脑GPS 究竟是个什么东东？2014-10-7 20:03， 发布者: 蚂蚁猎手。见百度网。

【4】李奇等著，视听觉信息整合脑机制研究，北京：国防工业出版社，2014.5。