神经元集群功能：意识形成的新解释

钟振余

(宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315211)

神经元集群功能：意识形成的新解释

钟振余

(宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315211)

基于自然进化的简约法则，文章提出神经元以集群方式形成模块化功能。各模块之间的信息交换通过无线电波传递来完成。不同功能模块的相互协作最终形成意识感知和意识体验。端脑仅是一个信息储存组织，神经网络是突触关联形成的记忆储存单元。突触只有信息触发功能，并无信息传导功能。突触的可塑性影响着记忆事件的可变性。神经元之间的关联性和可塑性决定着生命个体的认知能力。

神经网络；突触关联；记忆储存；神经元模块；集群功能

一、引言

人类为揭示大脑的奥秘，经历了漫长的探索历程。然而大脑的功能分区及作用机制研究方面仍存在许多无法解释的疑问。脑电波图(EEG)技术虽然在生物神经元与电信号之间建立起了某种联系，但是它还是未能解读神经元的信息内涵。电子显微镜(EM)技术以及近年来快速兴起的功能性核磁共振成像(fMRI)技术同样如此，尽管为人类进一步从微观层面了解神经元提供了可能，但仍未能触及其内在机制。也有许多研究者从记忆形成的底层机制着手，比如通过对神经元的光驱动、药物激活或转基因的受体技术，对实验样本进行特异性或诱导性的外源配体刺激，继而根据其在学习过程中树突和突触的可塑性变化痕迹来考察记忆的生物物理相关因素[1-4]。

近几十年来，不同学科背景的研究者从各自学科角度探索了大脑活动机制，并提出了许多新的理论，如2014年被授予诺贝尔生理学或医学奖的网格细胞理论(或称位置细胞理论)[5]。这些理论虽然存在分歧，但普遍认同意识是大脑中大量神经元共同活动形成的产物，神经元树突和突触的可塑性在记忆活动中发挥重要作用。鉴于大脑活动机制涉及学科领域广泛，知识跨度宽广，影响因素众多，因此在真正揭开其神秘面纱之前，无论是教科书的观点，还是权威刊物的论点均需要理性分析。在众多理论之中，笔者认为神经信息的网络传导加工理论尤其值得推敲。该理论将生物性的神经纤维网络(非导体)简单地视为信息的传导通路，明显不符合现代物理学的基本原理——网络化传导是电路模式的惯性思维移植。大脑是自然进化的产物，神经元集群形成模块化功能或许更符合自然法则。

二、神经元模块化集群功能：自然进化的简约法则使然

神经元是构成神经系统结构和功能的基本单位。单独的一个神经元不可能具备太多的功能，大量同类神经元集群才能形成具有特定功能指向的模块，模块之间的相互协作促使生命体在进化中形成了意识感知和意识体验。根据人类行为特征与大脑活动的关系，以及自然进化的简约法则，笔者认为意识形成是外部信息采集模块、信息整合发送模块、信息接收感知模块和记忆信息储存模块协同作用的结果[6-7]。

(一)外部信息采集模块

视网膜细胞、味蕾细胞、内耳毛细胞、嗅细胞等都是以集群的方式形成独立模块。这些外部信息采集模块虽然功能单一，但是优势明显，信息采集能力强大。生命个体如要适应生存环境，在具备了强大功能的同时，还需要有灵活的调节机制。人类视网膜细胞能采集380nm—760nm的光波信号，许多夜行动物的视网膜细胞更倾向于采集800nm以上的光波信号。人类的内耳毛细胞能采集到振动频率为20HZ—20000HZ的声波。对于振动频率低于20HZ的地震波，人类不敏感，而有些动物却非常敏感。可以肯定地说，没有颅外神经元信息采集趋向的调整，就不会有脑内神经感知趋势的变化。近视眼或老花眼就是因为视网膜采集的光点精度不高，以致于大脑内部信息传递、接收、感知等模块的辨识度降低，最终导致意识感知模糊不清。

(二)信息整合发送模块

由神经解剖可知，遍及肌体各有关组织及器官的神经网络最终都汇聚在脊髓、脑干和中脑三大区域。与外部沟通的颅内神经元同样以集群的方式，在脊髓、脑干、丘脑等部位形成各自独立的神经核。神经核虽然极小，但是核内或许包裹着百万个、千万个甚至上亿个神经元胞体。到目前为止，人类并不十分清楚这些神经核的功能、特性和内部作用机制。如果假设这些神经核是“信息编码器”或“信号转换器”，那么大脑的信息传递流程符合图1所示的走向：

承担“信息转换器”功能的神经核的工作机制可描述如下：神经核内的每一个神经元都将各自的轴突伸向外部信息采集模块，由轴突末端采集的外部信号引发轴突微管内离子发生运动。微管内的离子运动最终被转变成神经元胞体状态的改变(此处不存在信号传导，只是同一神经元的内部活动)。神经核以振荡的方式对各神经元状态改变的信息进行整合，并向外发送无线电波，“信息编码”转换过程即告完成。

在信息整合的过程中，神经核内每个神经元都有由其自身状态改变形成的电波频率，这些电波频率又被加载到神经核的共振频率之上。脑内传递的单位信息长度就是神经核的一个振荡周期，相当于目前EEG设备测得的某一振荡频率波段的一个周期值。不同的神经核有不同的单位信息长度(振荡周期值)。对于视信息而言，一个振荡周期的单位信息长度或许是40毫秒(1/24秒)，所含的信息量等于映射在视网膜上的一幅视图。换言之，若将神经核中一个神经元产生的频率认定为一个信息点位，则神经核振荡一个周期形成的信息量将是百万位乃至千万位的信息点，类似于数码相机拍摄的一张照片所含的像素信息。虽然神经的机械活动速度远不及计算机的电流运行速度，但是神经元模块化集群产生的并行处理能力是32位或64位的现代计算机所不能企及的。

以视信息为例，视网膜与脑内的外侧膝状体核之间连接着150万个神经纤维[8]72。观看电影画面时，每一格画面的光信息经眼球晶体折射，在视网膜上形成一幅缩微的彩色图画。光点信息在外侧膝状体核内被转换成无线电波信息，并以40毫秒一幅视图的信息量为单位向外发送。当观看每秒16格画面的早期电影时，观看者会明显感觉到画面动作的不连贯。这是因为每秒16格的画面更换速度与脑内外侧膝状体核24HZ的信息转换频率不同步，有些画格会发送两次电波，另一些画格则可能被遗漏掉，而感知神经元集群接收到的电波内容是24HZ频率下的16幅视图的电波信息，横向运动物体的不连贯感知由此形成。综上所述，笔者认为，一直以来心理学研究者将这种现象解释为视觉暂留或许是一种误解。

(三)信息接收感知模块

自然进化让脑内不同部位的神经元具有不同的功能。脑外科手术中发现，端脑及其皮层组织虽然有神经元的活动现象，却没有感知功能。手术切除端脑左右半球上任何部位的病灶组织时无需医学麻醉[9]即可证明这一点。《中枢神经功能解剖学》提出，脑干及网状结构神经元群的功能与清醒有关[10]74。事实上，大脑的感知功能由两部分神经元群构成：一是脑干的网状结构神经元群和丘脑的网状结构神经核，二是遍布全身的运动神经系统。前者形成差异感知，后者形成体验感知，两者既独立又相关。当参与感知的神经元数量达到一定规模并形成有序的差异化组合时，感知逐渐趋向清晰可辨。感知的持续时间由无线电波的重复次数决定。观看电影时，每秒24幅的静态画面能让感知神经形成动态意识，其原因就在于银幕上的影像被转变为脑内电波信息时，前后两幅画面所对应的两个电波周期信号大部分内容非常相近。重复的信息并不能让对应的感知神经元转变状态，而少数不同的信息却能促使感知神经元改变状态。因为背景信息未变，形成的综合感知状态就可能是一辆运动中的汽车或一个动态的人物。相反，如果插入一幅与电影情节毫不相关的画面，那么几乎所有的人都不会感知到这幅画面的内容。因此，意识其实是大量感知神经元在无线电波驱动下形成的瞬间反应，这些电波来自神经核和记忆神经元群，电波停止，感知消失。江苏卫视《最强大脑》的“捕风捉影”节目曾专门做过一个实验来证实这一点。

(四)记忆信息储存模块

无论是脑外科手术的临床记录，还是科学探索获得的实验数据，大量事实都表明端脑就是一个记忆信息储存模块。端脑的任何一部分伤残病变，甚至因肿瘤被切除都不会直接影响整体生命体的存活，但会导致以往储存信息内容的部分丢失，或生命体局部功能的丧失。脑外科手术中的极端病例是切除整个大脑半球(左半球或右半球)，一项临床研究显示，接受大脑半球切除手术治疗后，24例患儿无一死亡，“患侧硬膜下空腔明显缩小”[9]859。在对某些先天脑瘫病人的治疗中，临床研究者通过脑干细胞移植诱导神经元生长来弥补脑部缺失的空位，再辅以行走训练，部分患者由此恢复了正常人的活动功能。

加拿大神经外科学家Wilder Penfield是最早发现端脑储存记忆信息功能的研究者。作为脑外科医生的Penfield在对上千例癫痫病人的手术切除中，采用电极刺激的方法鉴别病灶与健康神经之间的界限，根据电刺激引发的病人躯体反应记录，画出了大脑皮层的“小人图”。之后大量同类研究也表明，人类活动能力越强的躯体部位，大脑皮层对应区域的面积也就越大。在Penfield的手术记录中，当电极刺激到某些部位时，病人记忆信息的恢复就像录音磁带或录像带的重播[11]65。此外，大量神经解剖实验发现，因为智障儿童的大脑中没有储存下太多的记忆信息，所以他们的端脑神经元结构与婴儿相似。相关研究结果表明，端脑极有可能是生命个体的记忆信息储存单元。

三、神经元的振荡和共振：电波信息与神经元活动的桥梁

20世纪90年代初，德国的两个研究小组在猫的视皮层发现了振荡现象[12-13]。然而，之后的二十多年中，对于神经元振荡现象在大脑活动机制中所起的作用，学界一直未能形成明确的定论。如果将神经元振荡现象纳入物理学范畴之中进行分析，那么振荡既是无线电波产生的必要条件，也是自然界物体共振的普通现象。

(一)皮层局域振荡和皮层区块功能

端脑皮层表面以沟和回的分隔结构形成自然区块。若一个区块内所有神经元的轴突固有频率都相同，那么该区块在受到外来同频电波扰动时就会产生共振。区块共振是一种基础振荡，其振荡信号应该就是目前EEG设备测得的频率波。不同区块具有不同的共振频率。区块共振使区块与各神经核的振荡频率形成对应。区块共振的另一个作用是确保区块内所有神经元都处于工作待命状态。如果神经元的活动每次都是从静态转为动态，则神经元的机械运动速度与无线电波的掠过速度难以形成“合拍”接收。此外，区块共振提高了总体电位，单个神经元发送的电波自然成了区块振荡电波的加载信息。正如F.Crick在《惊人的假说》一书中描述的那样：神经元发出的脉冲并不随机出现，而是和局域的振荡“合拍的”[14]290。

(二)电波信息的储存与神经元的树突结构变化

外部信息采集模块负责采集光、振动波、化学刺激和表面接触等外部信号，各对应的神经核则将外部信息转换成神经元可识别的电信号。随后，记忆又将这些电信号转变成端脑对应区块内神经元自身状态的改变，使神经元成为电波信息的储存单元。接收信息时，神经元上各树突的固有频率与电波中的信息元素(频率)形成谐振。树突振荡过程蕴含着生化结构的改变，即树突的重塑过程。记忆信息发放时，记忆的准确性取决于树突结构的稳定程度。记忆恢复后的感知状态与当初的感知状态并非完全相同，这不仅是因为储存记忆的神经元组织远离感知区的神经组织，记忆发送的电波弱于神经核的电波强度，还因为树突及突触的可塑性也让记忆恢复后的电波精度有所降低。

在海量的神经元中，固有频率相同的树突的数量有无限多。但是，在一个电波周期内，所有载波信息与所有树突固有频率形成一一对应的神经元是唯一的。在神经元表面成千上万个树突中，少数几个树突与电波中的局部信息元素形成的对应不足以引起该神经元整体的共振。电波速度与神经元机械运动速度不在同一级别，即使整体形成一一对应，也需要相同信息电波的多次重复谐振。神经元的这种谐振机制与巴甫洛夫的条件反射理论可谓殊途同归。若以数学概念表述，则端脑某功能区一个振荡周期中的电波信息集合Ai可表示为：

Ai={(X，Y)∣X=各树突产生的载波频率，Y=皮层功能区振荡频率，同时对应于神经核的振荡频率 }

一个神经元的树突结构集合Bi可表示为:

Bi={(X′，Y′)∣X′=各树突结构尺寸，Y′=端脑功能区域的共振频率 }

当Ai与Bi形成对应或高度相似时,神经元发生谐振，电波信息与神经生物储存信息的对应关系形成。

四、事件化记忆和结构化关联：突触的关联性和可塑性

大脑信息储存需要一个积累的过程。单独的一个神经元只能储存外部孤立的信息元素，如简单的几何形状、语言的基本词汇、声音的基本音节等。在婴幼儿的成长过程中，端脑各区域信息储存的基础元素积累到一定程度之后，大脑对外部世界的感知能力开始提升。比如当视网膜上产生的光信息视图中包含两个或两个以上基本单位信息时，视神经核发送的电波也相应地增加了信息量。端脑对应视区被谐振的神经元不再是原来的单个神经元，而是电波中所包含的两个或两个以上的对应神经元。处在同时活动中的神经元，其树突末梢都含有可塑的生化物质，这种可塑的生化物质促使活动中的树突在末端形成突触关联。突触关联位置一般发生在两个神经元中树突活动距离最近的空间位置，而跨越脑区的突触关联由胼胝体的互通机制达到物理距离上的最小化。因此，突触关联形成的事件记忆网络既不受空间影响，也不受脑区限制。端脑记忆神经元将同时发生的各类事件整合成一个记忆神经网络。在生命活动过程中，这样的记忆神经网络随时都在产生，也随时都在消解。很快消解的被称为短时记忆或工作记忆，难以消解且非常稳固的被称为长期记忆，而突触关联的稳定性决定了记忆保持时间的长短。突触是可塑的，学习、遗忘、复习的循环就是突触的关联、松脱、再关联的过程。

五、结束语

神经网络并不是信息的传导通路，而是记忆信息储存架构的外在表现。人类智慧的核心是突触的关联数量和关联模式。突触关联数量越多，关联模式越丰富，认知的程度则越高。大脑活动时记忆信息发送的电波既是过去事件的恢复，更是电波信号的一种组合模式。记忆信息的储存并非越多越好，孤立的信息储存并无太大的价值。在某种意义上，中国古人所说的“触类旁通”可理解为脑内类同信号模式的谐振感知。

注释：

①虚线箭头表示无线信号传递，实线箭头表示信息通过神经纤维有线传递。

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[14]F·克里克. 惊人的假说[M]. 汪云九，等，译. 长沙:湖南科学技术出版社,2007.

NeuronClustering：NewInterpretationsonthePrinciplesofConsciousnessFormation

ZHONGZhenyu

(FacultyofMaritimeandTransportation,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

Based on the principle of evolution,this article proposes neurons cluster to form modularity. Information exchange among various modules relies on brain wave transmission. The collaboration among different modules forms consciousness. Telencephalon only represents information storage. Neural network is the memory storage unit based on synaptic connection. Synapse only triggers information,but it does not transmits information. Synaptic plasticity shapes memory variability. Neuron relevancy and plasticity determine human beings’ cognitive ability.

neural networks；synaptic association；memory；neurons module；cluster function

2016-05-07

钟振余(1958-)，男，浙江乐清人，宁波大学海运学院副教授。

B842.7

A

2095-2074(2016)05-0102-06