书城自然科学一般集成论——向脑学习
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第3章 神经集成论、脑集成论和仿脑学

前面两章分别讨论了集成的脑和脑的集成。这一章提出,为了深入研究神经系统和脑的集成现象的特性和规律及其应用,需要建立三门新的学科,即神经集成论、脑集成论和仿脑学。

神经集成论是研究神经系统集成现象的特性和规律及其应用的学科。脑集成论是研究脑内集成现象的特性和规律及其应用的学科。仿脑学是研究仿造脑的学科。

3.1 神经集成论

前面两章着重在脑的系统水平上讨论脑的集成现象。神经系统有许多层次,在神经系统的各个不同层次,都存在不同性质的集成作用和集成过程。Sherrington(1906)曾对神经系统的各种集成作用进行过系统的讨论。

在神经系统的微观水平上,Sherrington讨论过突触的集成作用和单个神经元的集成作用,认为可以在突触和单个神经元水平来看整体脑的集成作用。在神经系统的较复杂层次,他讨论过脊髓的集成作用,认为中枢神经系统最基本的作用在于它的整合(即集成)作用。

突触的集成作用表现为:在突触处对许多输入进行集成,产生一个输出。Sherrington说,每一个突触是一个协调机构。

单个神经元的集成作用表现为:一个运动神经元对兴奋输入和抑制输入进行集成,从而决定行为。Sherrington说,单个神经元是集成作用的细胞基础。

脊髓的集成作用表现为:脊髓对兴奋过程和抑制过程进行集成,给出整合性的应答。Sherrington说,反射是中枢神经系统的基本活动方式之一,反射是中枢神经系统集成作用的单元反应;脊髓反射是对各种输入协调的结果。

Sherrington这些讨论都是关于神经系统不同层次的信号的集成。他说,神经系统集成作用的特点在于,它们不是通过细胞间的物质输运来实现,而是通过神经信号的传导来实现的。神经信号的集成是神经集成的一个重要方面,在这种过程中,集成作用把不同的神经信号集成起来产生总的输出,并使动物体集成为统一的整体。

必须指出,信息集成只是神经系统的一种集成过程,在神经系统中不仅存在大量的信息集成,而且还有结构集成和功能集成等其他集成过程。例如神经细胞集成为神经元簇以至神经回路的过程,就既有结构集成,又有功能集成。因此,研究神经系统的集成现象,不但要研究信息集成,还要研究结构集成和功能集成等各种集成过程。

总之,在神经系统的各个层次上,神经系统的各个部分,在它们所处的环境中,通过它们之间的相互作用,以及它们和环境之间的相互作用,组织成为协调活动的统一整体。在神经系统的不同层次,有不同的集成成分、集成作用和集成过程,分别形成不同层次的统一体。神经系统的不同层次都有多种集成过程,包括物质集成、能量集成、结构集成、功能集成、信息集成,等等。

在考察神经系统不同层次的各种集成作用和集成过程的实验事实的基础上,可以构建一门新的学科,我们把它定名为神经集成论。神经集成论是研究神经系统的集成现象的特性和规律及其应用的学科,它的英文名称是neuro-integratics。神经集成论的重要概念是神经系统的集成作用和协调活动等。

3.2 脑 集 成 论

在脑的宏观水平,功能专一性脑区、脑功能系统和整体脑等不同层次都存在大量的集成现象。

脑是集成的统一体。脑内不同层次和不同种类的集成成分,基于它们之间的各种相互作用,构成不同层次、不同形式、多种功能的集成体,最后集成为统一的、具有复杂结构和复杂功能的、协调活动的脑,涌现出丰富多彩的心智,并且产生多种多样的行为。

从整体的脑看,脑内有各个功能系统,它们是脑的集成成分,各个功能系统之间的相互作用是脑内的集成作用,脑所处的身体和体外环境是脑的集成环境;脑内的集成过程是脑内功能系统通过脑内集成作用以及脑、身体与环境的集成作用组织成为集成统一体的过程;脑内的集成过程是随时间发展的动态过程。

在脑的不同层次上,存在多种多样的集成过程,如物质集成、能量集成、结构集成、功能集成、信息集成,以至心理集成等。在考察这些集成过程的实验事实的基础上,可以构建一门新的学科,来研究脑内集成现象的特性和规律及其应用。我们把这门学科定名为脑集成论,它的英文名称是brain integratics。更确切地说,这个学科可称为脑与心智集成论,它的英文名称是brain-mind integratics。

脑是神经系统的一部分,神经集成论包含脑集成论,但是它们研究的侧重点不同。神经集成论侧重在神经系统的微观水平和介观水平上研究神经系统的集成现象和原理,而脑集成论则侧重在神经系统的宏观水平即整体脑及心理活动的水平上研究神经系统的集成现象和原理。

在19世纪以来神经科学发展的历史上,一些神经科学家曾经对脑功能是分区定位还是浑然一体的问题,进行过长期的争论。必须指出,我们讨论的脑集成论是在现代科学的基础上提出的理论,它和神经科学历史上出现过的关于脑功能浑然一体的学说是两回事。

19世纪中期,Flourens(1960)曾提出脑功能的整体论(holistic theory)。20世纪20 年代末,Lashley(1929)提出脑的记忆的整合论(integrationism)。这两种学说是和脑功能定位论(localizationism)相对立的、关于脑功能非定位的两种代表性学说。

这两种学说认为,脑的各种具体功能都是整个大脑皮层浑然一体的功能,它们与整个大脑皮层的所有部分都有关系,而不是大脑皮层某个特殊部位的功能。这两种学说在神经科学历史上有过一定的影响,但是现代脑科学大量的脑功能成像实验,已经证明他们当时提出的观点并不全面。

我们讨论的脑集成论和上述两种学说完全不同。脑集成论和上述两种学说对整合一词有完全不同的理解:在脑集成论中,集成(或整合)一词是指脑内有关部分通过集成作用组成统一体,集成是脑内动态的组织过程;而在上述两种学说中,整合一词是“浑然一体”或“功能非定位”的同义词。确切地说,上述两种学说应当称为“脑的等能学说”,而不是称为“脑的整合学说”。

在神经科学发展的历史上,还有过不少与脑内集成现象有关的讨论。除了前面提到的Sherrington(1906)关于中枢神经系统整合作用的研究外,还有Luria(1973)关于脑的功能系统协同活动的观念、Treis-man等(1977,1980)关于注意整合作用的讨论、Crick(1984)关于视知觉整合的讨论,以及Edelman和Tononi(2000)关于脑内整合作用的讨论等。它们都与脑内集成作用有关,但是这些与集成作用有关的工作是比较分散的,并不是关于脑的集成现象的集中的、系统的理论体系。脑集成论的一个任务是把各种与脑内集成现象有关的不同工作集成起来,构建统一的理论体系。

3.3 仿 脑 学

脑科学研究的问题很多,主要包括探测脑、认识脑、保护脑、开发脑和仿造脑等方面(唐孝威等2006)。

探测脑是要无损伤地测量活体脑的结构和功能,以便深入地认识脑。认识脑是要揭示脑的结构和脑功能的本质,了解脑的工作原理与心智活动的规律。保护脑是要在认识脑的基础上预防和治疗脑的疾病,保护脑的健康。开发脑是要在认识脑的基础上开发脑的潜力,提高人的素质。仿造脑是要在认识脑的基础上开发具有人脑特点的高度智能化的计算机或机器,即“仿脑机器”。

我们提出一门专门研究仿造脑的学科,称它为仿脑学,把它的英文名称定为brainics,由“brain”一词及词尾“ics”组成,后者是“具有这种性质”的意思。仿脑学是脑科学及认知科学与数学、信息科学、工程技术科学等学科的交叉学科,它是脑科学的一个分支学科。

自然界中多种多样的生物系统是人类进行科学技术研究时的模仿对象。目前已经有一门仿生学的学科,从事仿生学的学者观察自然界中各种不同的生物系统所具有的许多特殊的性质和本领,研究它们的原理和机制,并且把这些特性和原理应用到一些工程技术领域。他们发明模仿生物系统特性和原理的方法,发展模仿生物系统特性和原理的技术,制造模仿生物系统特性和原理的装置,为科学技术的创新服务。

仿脑学是仿生学的一个部分。仿脑学这门学科的任务是:研究脑的结构和功能以及研究脑的高级功能即心智活动,在人脑和人的心智活动中寻找可以参考的特性和原理,为工程技术提供新的设计思想和工作原理,从而发展模仿人脑的工程技术,如模仿人脑的智能技术和智能机器等。

神经系统、特别是脑以及心智活动中存在各种集成现象,这些集成现象的研究也是仿脑学研究的一个重要方面。神经集成论和脑集成论的理论为仿脑学中关于神经系统的集成研究和脑的集成研究提供了理论基础。在仿脑学研究中,要模仿脑和心智的集成现象的特性和原理,从而发明新的仿脑方法,发展新的仿脑技术和制造新的仿脑装置。

上一篇讨论了脑的集成现象和脑的集成理论。这一篇进一步考察自然界、技术领域和人类社会的集成现象,从实验事实出发,分析不同领域中各种集成作用和集成过程的特性,归纳各种集成现象的一般性概念,构建一般集成论的理论。

这一篇的第四章考察不同领域的一些集成现象;第五章归纳和讨论各种集成现象的一些一般性概念,说明一般集成论的要点;第六章说明一般集成论的特点。