江苏卫视《最强大脑》之1/24秒视觉实验报告

钟振余（宁波大学） 

《最强大脑》是江苏卫视推出的一档综艺类节目。人们惊叹于节目中各类参赛选手各自的天才洞察能力、辨识能力、计算能力、记忆能力…。《最强大脑》从开播至今的所有节目内容，除了担任科学评判的北京大学心理学系魏坤林博士的讲解外，几乎无人能从大脑的活动原理层面进行科学原理解释，即使魏坤琳博士或国外聘请的脑科学专家所作的解释，也只局限于心理层面的牵强附会之说。因为人类对自身大脑的活动机制并不完全清楚，所以，你大可不必太相信专家的说法。娱乐之余，笔者基于神经元模块化集群功能提出的“大脑活动原理模型^[1][2]”，将《最强大脑》节目内容视为实验素材，类似于脑科学实验的方式陆续撰写几份实验报告供脑科学研究爱好讨论指正。本文的前提条件是假定江苏卫视在节目制作过程中，对参赛选手测试的核心内容完全真实，出题嘉宾与测试选手之间无作假行为。

一、实验名称

人类1/24秒视觉实验。

二、实验目的

检测人类视觉神经系统动作的时间阈值，验证“神经元模块化集群功能理论模型”的可信度。

三、实验过程及要求

实验过程简略介绍：节目组事先选定8部完整的电影胶片和来自于100部电影中的500个胶片剪辑画格。节目中的嘉宾舒淇女士从8部胶片中任意挑选两部影片，然后由另一嘉宾孟飞先生从500格画面中挑选4格，电影放映师在科学评判专家魏博士的监视下将4格画面分别接入两部影片中。一分钟左右短片播放了两遍。节目要求被测试选手分别说出4格插入画面的内容及影片名称，答对3题为挑战成功。节目详细过内容及过程，请读者上互联网搜索关键词：“最强大脑 曹全全”观看视频节目。

按科学实验的要求，对于以娱乐性为主的电视节目，需作以下有关细节纠正和补充：

节目嘉宾介绍胶片上的每祯画投映到银幕上的停留时间是1/24秒。之后，互联网关于此问题的讨论也采用1/24秒这一数据。事实上，每祯画面投映在银幕上的最长理论可见时间是1/48秒。见图1，电影放映时为了使投映到银幕上的每一祯画面保持稳定，电影放映机发明者设计了一个间歇机构（或称为抓片机），间歇机构的作用就是确保电影胶片以每秒24祯画面的速度从灯泡与放映镜头之间以跳动的方式移过，而非均速运动。在前后两祯画面切换时段，镜头前的灯光被遮挡，由于灯光遮挡引起投影银幕一明一暗，造成视觉闪烁、以致于眩晕不适，于是，遮光片被改进为两明两暗，通过间歇机构与遮光器的同步运行使得每一祯画面在银幕上出现两次相同的影像。即一祯画面停留的41.6毫秒（1/24秒）时间被切分成四等份:第一个10.4毫秒(黑暗)为前后两祯画格切换时间，灯光遮挡避免了两格画之间的横线被映射出去，第二个10.4毫秒为可见画面，第三个10.4毫秒(黑暗)的遮挡是为了平衡明暗对比，防范视觉眩晕不适。第四个10.4毫秒与第二个10.4毫秒完全相同，均为可见画面。因此，每一祯画面投映在银幕上的累加停留时间为20.8毫秒（1/48秒），并非1/24秒。当然，1/24秒可认为是视觉神经系统对每祯画面处理时允许活动的最长时间。

四、实验完成情况

如果将这一娱乐性的综艺节目看成为科学实验，则观看节目的每个人既是实验的观察者，又是实验的参与者。当银幕上的画面A两次累加停留1/48秒时，大部分观察者仅感知到银幕上光信号的闪动，而非画面影像。被测试对象曹全全却感知到了画面的总体轮廓及粗略的内容构架，并在1/24秒时间内，将感知的信息储存下来形成记忆，之后，按主持人的测试要求进行了画面内容描述。

五、实验结果分析

   依据笔者的“大脑活动原理模型”，节目中测试过程的信息流程如图2所示。

银幕上的光信息经眼球晶体折射后映射到视网膜，影像决定了视网膜不同点位的光的波长和光照度不同，因此，神经元将光信号转变为离子活动的状态也不相同，视网膜向后端外侧漆状体核传递的信息也不同。（光信号转变为电信号或许是神经生物学需要进一步研究的课题，通常认为视网膜大约由1.05亿个神经元构成，视网膜的光电信号转换机制极为复杂，目前教科书介绍的视觉暂留现象和视网膜的三色光理论均是缺少科学依据的假设理论）

视网膜至外侧漆状体核之间共有1500万个神经纤维相连，本实验中，曹全全的神经纤维在两个10.4毫秒的时间段内重复传递了相同的一组信息，累计用了20.8毫秒（1/48秒）。外侧漆状体核收到外来信号后开始活动，其活动方式属于神经核振荡发送电波的特异性问题，振荡频率或许是24HZ。画面A的所有信息在外侧漆状体核被整合成为电波信号，电波的信息长度为一个振荡周期，即画面的光点信息被整合成高频的电波信息载波到24HZ的一个周期中。

外侧漆状体核发放的电波信号A在颅内传播不受方向和线路限制，首先，在丘脑的网状结构神经元群组织，因为神经元树突的固有频率与电波的信息频率相同而发生谐振。大量神经元谐振活动形成的感知总和就是银幕上的画面A的意识反映。也可以简单地表述为外部影像在丘脑网状结构中形成的映射；或者，将丘脑网状结构神经元群类比为一个显示器，一个神经元等同于一个像素点，不同像素组合形成的神经感知总和，就是大脑获得的图像概念。我们应该相信，视网膜上的神经元能将光信息转换成电信息，并在脑内传播，那么，丘脑的网状结构神经元群同样能将电信息还原为视网膜的影像概念，这是自然进化的合理逻辑。

其次，在端脑皮层视功能区，每个体过往的生活经历储存了大量的视图记忆信息，当测试画面A出现的20.8毫秒光信息经外侧漆状体核整合为一组电波发送，传播中的电波与记忆储存的信息之间，同样因为神经元树突的固有频率与电波的信息元素频率类同发生谐振，激活了一组神经组织。另一方面，端脑皮层不同点位同时活动的神经在脑内化学物质的作用下，神经元之间通过树突的可塑性作用，以突触的生长方式发生关联。因此，参与谐振活动并因突触关联形成的神经元群组成了一个新的记忆事件，这个记忆事件就是画面A的信息集合。在笔者的理论模型中，整个端脑就是一个记忆信息的储存组织。每一次信息储存形成的新记忆都是由大量突触的关联组成一个集合。由于大脑储存的信息太多，大部分突触关联形成的记忆事件都是弱关联，随着时间的推移，突触的可塑性作用，弱关联的突触很快就会失效，所以我们储存的信息在短时间内，恢复比较容易—即短时记忆；大部分远期的记忆都难以恢复。如果信息储存时，属于惊恐、悲痛等刻骨铭心的事件，则信息储存时形成的突触关联就是强关联，不易松脱，这样的信息储存结构就成了永久记忆。突触关联形式如图3.所示。特别说明，目前教科书上所谓的工作记忆、短期记忆和长期记忆既没有科学依据，更不能作出合理解释。只能算是权威假设。（端脑储存信息的读取遵循物理学的谐振原理，可以收音机原理进行类比：茫茫太空有无限多的电波信号穿过，收音机只是通过自身的调谐转轮产生一个固定频率的振荡信号，通过同频谐振原理捕获空中同一频率的电波信号。同样情况，人类个体一生经历的事件无限丰富，脑内储存的信息可谓海量，如何在海量信息中检索出需要的记忆事件，最简单的方法就是谐振原理）

最后，曹全全在回答主持人的提问时，处在活跃状态的视记忆区将刚刚活动过的神经元再一次激活发放。于是，丘脑网状结构神经元群再一次感知到与刚才类同的图像概念。（储存记忆信息的神经元，其信号发放的活跃频度与该神经元上一次活动的时间间隔成正相关，距离上一次活动的时间越短，神经元发放信号的活跃频度越高，也就是短期记忆越容易回忆；远期储存的记忆信息，在没有外部事件触发时，其发放的频度就越低，因此，早期的生活经历及记忆储存很少会自发回忆）。

六、讨论与探索

1、如果人类外侧漆状体核的振荡频率是24HZ，在本实验测试时段，颅内电波中只有一个振荡周期的信息属于A画面，前一个周期和后一个周期的电波均是其他画面的信息。无论是丘脑网状结构神经元群的意识感知，还是皮层记忆区域的谐振活动及突触关联都只有一次机会获得A画面电波信号，参与意识感知和记忆储存活动的神经元从初始状态->接收信号->感知活动->再回到初始状态的一个循环，其理论极限时间为41.6毫秒（1/24秒），视网膜捕获外部光信息的神经感知极值是20.8毫秒。尽管参与节目的所有观察者均未感知到画面的信息，但节目主角曹全全却能顺利完全测试，因此，这两个参数代表了人类神经具有的感知阈值。曹全全的感知能力作为最强大脑可谓名符其实，

神经感知阈值高低除了个体的遗传基因、健康条件、神经的稚嫩（年龄）程度等整体神经元的差异外，会否有还别的原因？本文假定人类的外侧漆状体核的振荡频率为24HZ。如果曹全全的外侧漆状体核的振荡频率比普通人更高，那么，他观看动态物体的感知就相当于普通人看漫动作影片，曹全全脑中的外侧漆状体核的振荡频率相当于高速摄像机，可以清晰地拍摄到快速运动物体的每一个变化动作，而我们大部分人只是普通摄像机，只能拍个模糊影像。文献[3]在猫的外侧漆状体核测得了三个波段的振荡频率：25-33HZ、45-60HZ、75-100HZ^[3]，科学界对于人类大脑外侧漆状体核的研究少有报导。

可否预言：人类大脑中的外侧漆状体核随着外部观察情况不同或许能够自动调节发放频率，不同个体之间最高发放频率会存在一定差异性，能达到曹全全这一感知阈值人群极为罕见；猫等动物因捕猎的需要，较高的外侧漆状体核振荡频率和较低的视觉阈值符合进化规律。

2、人类早在80多年前发现脑电波并在临床应用，清醒状态下闭眼的脑电波为8-12HZ，睁眼的脑电波为13-30HZ。可以预言，脑电波（EEG）设备测得的信号是颅内不同神经核团的振荡频率信号，仅是电波在传输中的一组包络线。或许目前使用的EEG设备精度与脑电的实际信号还差若干的数量级。因此，在人工智能领域，如果科学家们希望将脑内意识活动信号输出为机器可识别的信息，则检测设备的信号频率精度必须达到神经活动的信息频率。否则，所谓的人机接口开发只能是一种装饰。

3、对于《最强大脑》节目的类同问题稍作改进，对所有人都可以进行测试，因为个体大脑神经结构的优劣程度不同，完成相同任务的时间阈值也不完全相同。阈值越小，在给定的时间段内观察同一外部事物，外侧漆状体核振荡发放的重复周期数越多，记忆神经元受到重复谐振的次数越多。这一指标或许可以用来衡量不同个体大脑的学习能力指标。当然，也可以设计成记忆遗忘指标或突触可塑性指标，用以考量大脑的记忆力水平。

附加说明：

传统神经科学对视信息传递通路的介绍能否颠覆，提供给读者思考：

目前教科书和脑科学研究的普遍观点认为，端脑皮层是最高级别的神经组织，外部信息通过分级加工、编码、传递等流程形成意识。对于视信息传递通路，神经解剖学是这样介绍的：视网膜信息传入颅内，经丘脑中继、投射到端脑视皮层，视皮层也有许多神经纤维返回到丘脑，视意识在丘脑与皮层之间回路中形成。（笔者注：神经元是生命的最小单位，生命的活动速度必须遵循机械运动规律，目前许多实验证明，神经元从外部剌激到产生信号平均所需时间200毫秒，如果按照信息加工、编码、传导等理论，对于神经感知仅为20.8毫秒的活动机制是很难解释的。而本文采用神经元模块化集群功能理论模型，各相关神经模块均处在活动待命状态，不存在信息传导理论所要求的准备时间。）

参考文献

[1] 钟振余 意识的物理学原理和记忆的生物学机制.宁波大学学报(理工版)28(2015).118-124.

[2] 钟振余 记忆信息与大脑神经元固有频率的关联性.科学网

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1724380&do=blog&id=952482

[3]  Nikita F P,Tatjana V B, Ekaterina V B, et al. Three bands of oscillatory activity in thelateral geniculate nucleus of the cat visual system[J]. NeuroscienceLetters,2004, 361:83-85.