连接的重要意义--（三）脑连接、复杂的涌现

连接的重要意义--（三）脑连接、同构，自指，复杂的涌现

 

1. 脑连接，意识的产生，IIT信息整合理论

 

如果动物的各种行为都是有意识的，那凭什么植物对光的反应，或者电子的自旋现象，就没有意识呢？ 

许多人认为，构成人类囊胚的微观细胞集合是没有感觉经验的。但随着时间的推移，这些细胞会不断增殖，慢慢变成一个人类婴儿——它们即使在子宫里也能察觉到光线的变化，认出母亲的声音。虽然电脑也能够探测光线、识别声音，但婴儿的不同之处在于对光线和声音相伴而生的体验。起初，细胞中没有一丝意识，然后突然，奇迹般地出现了什么。意识的奥秘就在于这一转变。无论最初出现的东西多么微不足道，体验显然会点燃无生命的世界，从黑暗里化现。神经科学家居里奥·托诺尼（Giulio Tononi）的整合信息理论（Integrated Information Theory）在量化意识（quantifying consciousness）上做出启发性贡献。他认为：信息量和整合程度决定了是否有意识。

 

"比如被麻醉时, 各个脑区是各自为战，相互之间几乎没有通讯，也就是信息相互整合的程度非常低。在这种状态下，信息量很大，但是整合程度低，意识就很微弱，人是几乎完全失去意识的。

人清醒时，大脑各个部分不但各自处理大量信息，而且脑区之间有很多远距离的交流，意味着信息被高度地整合在一起。信息量大、整合程度高，两个条件都满足，意识才清晰地浮现出来。

计算机存储的信息量极大，但文件与文件之间、一个算法与另一个算法之间，几乎是完全隔离的。整合与信息这两个条件，计算机缺了整合。人工智能目前也处于相似状态" 。

 

Vijay Balasubramanian在《大脑为何如此耗能？比较计算与通信的代谢能效》[5] 中提到大脑耗能中，通信远高于计算。另一角度证明连通、信息整合的重要意义不亚于计算。

Levy 和 Calvert 根据噪声神经积分器输入和输出之间的互信息，来估计大脑每焦耳能耗所计算的信息比特数。在这个定义下，他们发现神经元每比特的计算能耗是 Landauer 理想热力学极限* 的10⁸倍。他们认为这一巨大差异源于通信成本（Landauer 忽略了这一点）和生物需要快速响应行为的计算需求。通信成本和快速计算需求这两个约束无疑是相关的，研究人员希望在未来仔细检验关于计算的定义，以及由活细胞计算施加的生物物理约束。

*注：Landauer 原理表明，擦除1比特信息在理论上至少要产生k_BTln2 的能量耗散，这被称为Landauer极限。

  

《大脑的一天》作者苏珊·格林菲尔德是在牛津大学工作的神经科学家，她要回答的问题是：是什么神经机制产生了意识？作者认为，与意识密切相关的，既不是微观层面的突触集合，也不是宏观层面的某个脑区，而是一种中间尺度或曰介观尺度上的大脑活动——神经元集合（neuron assembly）：在特定条件下，数以百万计的神经元会同时在亚秒级时间水平上临时性地同步工作。

作者使用一个贯穿全书的比喻：你清晨被闹钟叫醒，相当于石头扔进水里产生的涟漪。石头激起多大的涟漪，或者说，唤醒程度或意识程度，取决于石头有多大，以及投掷石头的力度。投掷力度相当于闹钟铃声大小，石头大小相当于大脑中局部神经元的固有连接，涟漪相当于每一次神经元集合的大小。“每一个神经元集合……都是独一无二的——正是这种一次性的特点使神经元集合相比其它可能的意识相关神经结构都更适合与每一个独特的意识瞬间相对应。”

不仅神经元集合的大小每次不同，神经元固有连接的规模也不是固定的，这取决于你查看的是哪个物种的大脑，更值得注意的是，它还取决于个体早年与特有环境的互动。简单说，经验会改变固有连接的规模，或石头的大小。物种越复杂，固有连接的可塑性就越大；个体经验越丰富，固有连接就改变越多。正是基于这些可塑性，使得我们每个人都是一个独特的个体，或者说，我们每个人的总体意识都是独一无二的。

每一次神经元聚合的范围都远远超出神经元团队的规模，然而，单一的神经元聚合仍不足以产生意识，“因为到了300毫秒这个关键节点，一个神经元聚合的信号将大幅衰减至巅峰程度的20%”。格林菲尔德设想，“大脑各处的单一神经元聚合能够各自独立运作的时间可达到约300毫秒，但就在它们开始衰减之前，它们的活动，或者不如说，它们的能量，已经被转移到某种集合的能量池中。且让我们把这个聚合池称为‘超聚合’，它可能相应于一次性的整体大脑状态，尤其是，相应于一个意识时刻……由此产生的全局性、整体性的涟漪有可能是意识时刻的真正的、最终的神经关联。”相应于每一次意识经验的是，大脑中不同区域的一批神经元聚合起来，同步进入协作，然后解散。(笔者：300毫秒是否决定了一个念头起灭的时间，是否也解释了大部分人不能长期集中注意力，不能深入思考的原因。一种说法是人类大脑算力够而内存不够，纸笔算是外挂存储的方式，科学家尤其是数学家通常内存较大。入定或者心流可能是神经元聚合时间延长的一种现象。）

 

2. 同构

 

《哥德尔、艾舍尔、巴赫--集异璧之大成》这一奇书着重介绍了同构。两个同构的事物既有差异又有共同点，它们的结构可以相互映射，一个结构的部分在另一个中有相对应的部分，而且其对应的部分在总体结构中起着相似的作用。我们能认识事物的意义就是因为同构，对于同构的认识在人们脑海中产生了意义。通俗的讲我们看到一个新事物或接收到一条新消息时会把它跟经验里的旧事物做对比，以旧认新，当找到新旧的相似点，发现二者的同构关系时我们才能给新事物一个意义。所有的形式系统也因同构地反应了现实世界才有了意义。

人类通过构造同构于世界的形式系统来认知世界 。物理学家用F=ma 来描述自然界的力，化学家用元素周期表反映物质组成，弗洛伊德用本我，自我，超我的模型解释心灵结构。人类认知世界的过程就是人类在各学科构造形式系统，并用其中推演出的定理来描述世界现象的过程。

 

3. 自指，复杂的涌现

 

《复杂》作者梅拉妮·米歇尔（是《集异壁》作者侯世达的学生）试图解释，在不存在中央控制的情况下，大量简单个体如何自行组织成能够产生模式、处理信息甚至能够进化和学习的，以及如何度量复杂性。她首先介绍了逻辑斯蒂映射，一个简单的确定性方程能产生类似于随机噪声的确定性轨道，这个事实让人困扰。这一问题与哥德尔定理有异曲同工之妙，即自指（self-reference，谈论自身）引出了非线性，导致“对初始条件的敏感“，即，初始位置和动量的测量如果有极其微小的不精确，也会导致对其的长期预测产生巨大的误差。

 

哥德尔定理关键在于歌德尔构建了一个自指的陈述，”自指“是《集异壁》整本书最重要的概念，因为它是许多悖论的根源。（著名的说谎者悖论：“我说的这句话是假的”。就是因为这句话指涉了自身而引起了悖论）。

 

自指的存在让所有系统都具有不可避免缺陷，任何系统只要有谈论自身的能力，内部就存在不可消除的矛盾，不完全性成了所有系统的固有性质。这就告诉我们，不能指望有系统可以解决所有的问题，鉴别所有句子的真假，因为他们都是不完全的漏洞系统。因此在物理学，社会学，哲学或者任何领域，所有构建大一统理论体系的努力是注定要失败的。

 

 

笔者： 连接的重要性跨度极大，从细胞到宇宙，从科学理论，技术发明到人类组织社会，从知识和认知到哲学。连接，尤其是自指的连接（带复杂反馈？）是我们人类大脑、知识体系、乃至社会组织的复杂来源。这其中复杂之处应能启发新的人工智能的发展。

 

 

Ref：

 

[1] 梅拉妮·米歇尔 《复杂》， 湖南科学技术出版社， 2011

 

[2] 侯世达，《哥德尔、艾舍尔、巴赫--集异璧之大成》，商务印书馆，1997

 

[3] 苏珊·格林菲尔德, 《大脑的一天》，上海文艺出版社， 2021.1

 

[4] Shoreline（来自豆瓣）, https://book.douban.com/subject/1291204/, 豆瓣书评

 

[5] 大脑为何如此耗能？比较计算与通信的代谢能效, https://mp.weixin.qq.com/s/y4QFZHKAD2Kh6rmsjit7VA