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圖片來源@視覺中國dCx曹操讀書網(wǎng)

文 | 陳根dCx曹操讀書網(wǎng)

作為承載人類意識(shí)的載體，大腦結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制的復(fù)雜是眾所周知的。其中，大腦的運(yùn)轉(zhuǎn)主要依靠多重神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在多個(gè)腦區(qū)之間架起信息交流的橋梁，一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞可以與50000個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞交流信息。dCx曹操讀書網(wǎng)

即使人們處于睡眠狀態(tài)，大腦中的神經(jīng)元也無時(shí)無刻不在相互交流。在60年前科學(xué)家掌握了記錄單個(gè)神經(jīng)元的技術(shù)之后，他們就知道大腦活動(dòng)會(huì)頻繁發(fā)生變化，即便沒有明顯的理由表明大腦應(yīng)當(dāng)如此變化，但事實(shí)依舊如此。dCx曹操讀書網(wǎng)

也就是說，大腦的神經(jīng)活動(dòng)是不規(guī)則的，是從一個(gè)瞬間到另一個(gè)瞬間的變化。并且，無論是否評(píng)估單個(gè)神經(jīng)元或整個(gè)大腦區(qū)域，都會(huì)出現(xiàn)這種神經(jīng)活動(dòng)異常。大腦總是顯得“嘈雜”，然而就是這種“嘈雜”，為大腦的科學(xué)研究帶來了新的令人驚喜的發(fā)現(xiàn)。dCx曹操讀書網(wǎng)

大腦“噪音”何起？

用腦電圖儀在頭皮表面記錄到的自發(fā)腦電活動(dòng)，就是所謂的腦電圖（EEG）。1875年，英國生理學(xué)家RichardCaton首次從動(dòng)物大腦皮層記錄到節(jié)律性腦電波；1928年，德國精神病學(xué)家HansBerger則在前者基礎(chǔ)上首次記錄到人的腦電波。dCx曹操讀書網(wǎng)

腦電波的基本波形包括a、β、θ和δ波四種。其中，a波的頻率為8~13Hz，幅度為20~100μV，常表現(xiàn)為波幅由小變大再由大變小，反復(fù)變化而形成a波的梭形。a波在枕葉皮層最為顯著，成年人在清醒、安靜并閉眼時(shí)出現(xiàn)。dCx曹操讀書網(wǎng)

睜眼或接受其他刺激時(shí)立即消失而呈快波，即β波，這一現(xiàn)象也被稱為a波阻斷。β波的頻率為14~30Hz，幅度為5~20μV，在額葉和頂葉較顯著，是新皮層處于緊張活動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)志。dCx曹操讀書網(wǎng)

θ波的頻率為4~7Hz，幅度為100~150μV，是成年人困倦時(shí)的主要腦電活動(dòng)表現(xiàn)，可在顳葉和頂葉記錄到。dCx曹操讀書網(wǎng)

δ波的頻率為0.5~3Hz，幅度為20~200μV，常出現(xiàn)在成人入睡后，或處于極度疲勞或麻醉時(shí)，在顳葉和枕葉比較明顯。dCx曹操讀書網(wǎng)

腦電波的發(fā)現(xiàn)和腦電圖記錄的實(shí)際應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)睡眠狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷和定量分析，成為研究睡眠的必備手段。根據(jù)腦電圖，睡眠被分為了眼球快速運(yùn)動(dòng)（REM）睡眠，也叫做快速眼動(dòng)睡眠或快動(dòng)眼睡眠，具體表現(xiàn)為眼球快速運(yùn)動(dòng)并且發(fā)生夢(mèng)境，以及與眼球快速運(yùn)動(dòng)睡眠恰好相反并且持續(xù)較長時(shí)間的非眼球快速運(yùn)動(dòng)（NREM）睡眠。dCx曹操讀書網(wǎng)

不論是眼球快速運(yùn)動(dòng)（REM）睡眠，還是非眼球快速運(yùn)動(dòng)（NREM）睡眠，都是根據(jù)腦電波節(jié)律性電位變化所分類。然而，在腦電波節(jié)律性電位變化外，還存在一種非節(jié)律性的電位變化，也就是所謂的大腦“噪音”。dCx曹操讀書網(wǎng)

對(duì)非周期性電位變化的認(rèn)識(shí)可以追溯到1925年，J.B.約翰遜在研究的真空管噪音。四年后，德國科學(xué)家漢斯·博杰就發(fā)表了首份人類腦電圖研究報(bào)告。即便沒有明顯的理由表明大腦應(yīng)當(dāng)如此變化，但事實(shí)依舊如此，并且波動(dòng)方式似乎完全隨機(jī)。dCx曹操讀書網(wǎng)

比如，當(dāng)大腦形成α電波，即電波頻率在8-12赫茲/秒時(shí)，人們處于放松、準(zhǔn)備進(jìn)入睡眠的狀態(tài)。但是大腦的電波輸出并不是完美的平滑曲線，相反，當(dāng)它們陡增到頂峰、下沖到谷底時(shí)，這些線會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。有時(shí)大腦活動(dòng)沒有規(guī)律，使其看起來更像電噪音。dCx曹操讀書網(wǎng)

當(dāng)前，大腦噪音這一現(xiàn)象被給予諸多命名，有人稱其為“1/f斜率”或“無標(biāo)度活動(dòng)”，也有研究人員將其命名為“非周期性信號(hào)”或“非周期性活動(dòng)”。盡管神經(jīng)科學(xué)家在幾十年前就已經(jīng)知道了自發(fā)性的大腦波動(dòng)，但一直不知道是什么原因造成的。dCx曹操讀書網(wǎng)

研究人員只是將這種現(xiàn)象歸結(jié)為“隨機(jī)背景噪聲”，仍繼續(xù)專注于分析更容易測(cè)試的有意識(shí)大腦活動(dòng)。但是，隨著研究人員開發(fā)出能夠有效分析這些“大腦噪音”的算法，他們開始意識(shí)到，這種腦電活動(dòng)并非真正的噪音，而是具有更深層的含義?——它或許指示了大腦中神經(jīng)活動(dòng)的狀態(tài)，甚至有可能判斷意識(shí)的邊界。dCx曹操讀書網(wǎng)

大腦噪音之必要

如上所述，很長一段時(shí)間以來，研究人員都不認(rèn)為這些“大腦噪音”能帶來有用的信號(hào)——2014年發(fā)表于《認(rèn)知科學(xué)趨勢(shì)》的一篇綜述中寫到，或許是因?yàn)樵胍艨雌饋砣绱似毡椋S多生物學(xué)家并不認(rèn)為通過對(duì)噪音進(jìn)行1/f特征轉(zhuǎn)化，可以得到有用的信號(hào)。他們認(rèn)為這可能是儀器自身發(fā)出的噪音。dCx曹操讀書網(wǎng)

但與此同時(shí)，也有越來越多的研究駁斥了這一觀點(diǎn)。紐約大學(xué)的研究人員就發(fā)現(xiàn)，儀器噪音的幅度遠(yuǎn)小于非周期性腦電活動(dòng)。并且，越來越多的證據(jù)表明，無標(biāo)度的腦電活動(dòng)會(huì)給大腦功能帶來益處。dCx曹操讀書網(wǎng)

為了量化非周期性腦電活動(dòng)，科學(xué)家們做了不同的努力。一方面，有科學(xué)家分解了原始的腦電圖數(shù)據(jù)，就像用棱鏡將太陽光分成不同顏色。為此，他們首先采用了傅立葉分析技術(shù)。在任何一段時(shí)間內(nèi)繪制的數(shù)據(jù)都可以表示為三角函數(shù)的和，例如正弦波，而三角函數(shù)可以通過頻率和振幅來表示。dCx曹操讀書網(wǎng)

科學(xué)家可以將不同頻率下的波幅繪制成一張圖表，即功率譜（power spectrum）。功率譜的幅度通常用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系表示，因?yàn)樗鼈兊臄?shù)值范圍很大。對(duì)于純隨機(jī)的白噪聲，功率譜曲線相對(duì)平坦，呈水平狀態(tài)，因?yàn)樗谒蓄l率下都是近乎相同的。dCx曹操讀書網(wǎng)

但神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的曲線具有負(fù)斜率，因?yàn)榈皖l腦電波的振幅更高，而高頻腦電波的強(qiáng)度則呈指數(shù)下降。這條曲線被稱為1/f，表示頻率和振幅具有反向關(guān)系。加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)學(xué)家勞倫斯·沃德表示，用這種方式分析腦電圖數(shù)據(jù)，類似于在一座公鐵兩用橋上用錄音機(jī)記錄聲波。dCx曹操讀書網(wǎng)

隨機(jī)經(jīng)過的汽車輪胎發(fā)出的嗡嗡聲，制造出非周期性的背景噪音；而列車每10分鐘一次的鳴笛會(huì)產(chǎn)生具有峰值的周期性信號(hào)。在數(shù)據(jù)中，這個(gè)信號(hào)明顯比背景信號(hào)突出。一次突發(fā)性事件，如長時(shí)間的鳴笛或車輛相撞，就會(huì)在聲波中產(chǎn)生明顯的尖峰，影響1/f的整體斜率。dCx曹操讀書網(wǎng)

另一方面，研究人員嘗試開發(fā)工具來支持對(duì)于大腦噪音的研究，加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的認(rèn)知科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)副教授布拉德利·沃伊特克就是其中的先行者。沃伊特克希望神經(jīng)學(xué)家能利用軟件從任何數(shù)據(jù)集中，自動(dòng)分離出周期性和非周期性的腦電波特征，并尋找出有意義的1/f趨勢(shì)線。dCx曹操讀書網(wǎng)

因此，通過與加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校和伯克利分校的神經(jīng)科學(xué)家合作，沃伊特克開發(fā)了一種軟件，可以分離出隱藏在非周期性腦電活動(dòng)中的規(guī)律性腦電波。比如α波，科學(xué)家對(duì)睡眠和清醒狀態(tài)下的α腦電波已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。dCx曹操讀書網(wǎng)

這為神經(jīng)科學(xué)家提供了一種新的工具，用于剖析有規(guī)律的腦電波和非周期性腦電活動(dòng)，以便理清它們?cè)谛袨椤⒄J(rèn)知和疾病中的作用。?dCx曹操讀書網(wǎng)

大腦噪音將帶來什么？

可以說，自發(fā)性大腦波動(dòng)是一種不應(yīng)被低估的工具，其帶來的影響和作用也正在超越人們的想像。dCx曹操讀書網(wǎng)

首先，借助沃伊特克的軟件，有研究人員發(fā)現(xiàn)，快速眼動(dòng)睡眠期間，在受試者腦電圖的非周期性噪音中，高頻腦電活動(dòng)的下降速度比清醒時(shí)更快。換句話說，功率譜斜率的絕對(duì)值更大。研究人員認(rèn)為，非周期性腦電活動(dòng)可以作為衡量一個(gè)人意識(shí)狀態(tài)的特定標(biāo)志。像這種新的客觀指標(biāo)，可能有助于了解昏迷患者的麻醉狀態(tài)，并改善治療過程。其研究于2020年7月在線發(fā)表于eLife。dCx曹操讀書網(wǎng)

還有一些使用沃伊泰克開發(fā)的軟件所進(jìn)行的研究，其中包括對(duì)多動(dòng)癥藥物療效的調(diào)查，以及基于性別差異對(duì)自閉癥患者大腦活動(dòng)的研究。他們和團(tuán)隊(duì)的其他成員在模擬數(shù)據(jù)庫中測(cè)試了代碼的性能，肯定了利用此工具進(jìn)行新研究的可能性。dCx曹操讀書網(wǎng)

其次，在《意識(shí)與大腦》一書中，法國神經(jīng)學(xué)家斯坦尼斯拉斯·德阿納也提到：“神經(jīng)元不僅能容忍噪聲，還能放大噪聲。”神經(jīng)元的工作原理是放大認(rèn)知波動(dòng)，甚至利用這些波動(dòng)的噪聲來幫助生成解決復(fù)雜問題的新方案。認(rèn)知波動(dòng)可能使我們更接近一個(gè)范式轉(zhuǎn)變，即“噪聲是新的信號(hào)”。dCx曹操讀書網(wǎng)

對(duì)這些認(rèn)知波動(dòng)的研究正引導(dǎo)研究人員以全新的方式進(jìn)行心理健康治療。研究人員認(rèn)為，這可能會(huì)在心理健康科學(xué)領(lǐng)域帶來一些難以置信的突破。對(duì)這些認(rèn)知波動(dòng)的研究正引導(dǎo)研究人員以全新的方式進(jìn)行心理健康治療。dCx曹操讀書網(wǎng)

研究人員開始嘗試不再試圖減少抗抑郁藥引起的自發(fā)大腦波動(dòng)，而是嘗試增加這些波動(dòng)。這有些違反直覺，因?yàn)樽园l(fā)波動(dòng)和走神也會(huì)導(dǎo)致抑郁性的沉思和焦慮。然而，通量理論認(rèn)為，這些消極的思維習(xí)慣會(huì)受到大腦中大量自發(fā)性波動(dòng)的干擾，而這種干擾會(huì)使一切放松下來，使我們改變舊的習(xí)慣。dCx曹操讀書網(wǎng)

在紐約大學(xué)的朗格尼成癮卓越研究中心，羅蘭·格里菲思和斯蒂芬·羅斯給巴爾的摩和紐約市的80名重癥癌癥患者服用賽洛西賓，超過四分之三的患者表示，他們因害怕死亡而產(chǎn)生的抑郁和焦慮情緒得到了顯著緩解。即使在治療6個(gè)月后，這樣的改善效果仍然存在，并且與自發(fā)波動(dòng)的放大有關(guān)。dCx曹操讀書網(wǎng)

最后，大腦噪音的研究或許還將為機(jī)器智能帶來新的研究路徑。要知道現(xiàn)代人工智能的核心挑戰(zhàn)之一就是在深度學(xué)習(xí)方面的困境，這使得人工智能經(jīng)常變成人工智障。dCx曹操讀書網(wǎng)

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比如，一輛黃色校車來說明如果是在鄉(xiāng)村公路上行駛，深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以自信地準(zhǔn)確識(shí)別出校車。然而，如果校車側(cè)方位停在馬路正對(duì)面，那算法可能就會(huì)很有自信地認(rèn)為它是一輛掃雪車。如果從某個(gè)角度從下往上看，它又會(huì)被當(dāng)作一輛垃圾車。dCx曹操讀書網(wǎng)

問題之一在于情境。當(dāng)一張新圖像與訓(xùn)練圖像集足夠不同時(shí)，即使差別只是簡單的旋轉(zhuǎn)或障礙物，深度學(xué)習(xí)的視覺識(shí)別也會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。相反地，情境的生成似乎取決于某種非同尋常的連線和信號(hào)生成功能——至少在人類大腦中是這樣。如果人們能夠更準(zhǔn)確地把握非同尋常的連線和信號(hào)生成功能，或許也將推動(dòng)人工智能實(shí)現(xiàn)新的階段發(fā)展。dCx曹操讀書網(wǎng)

大腦不是完全確定性的，對(duì)于大腦的認(rèn)知還在不斷更新。神經(jīng)元鋪設(shè)的這個(gè)超級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)貌似充滿了大量無意義的信號(hào)，但顯然，它們對(duì)于人們的行為有著十分重要的作用。探索其背后的機(jī)理，或許也將朝人類意識(shí)的邊界更近一步。dCx曹操讀書網(wǎng)

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