神经科学家能理解金刚吗,更别说大脑了?

人脑包含860亿个神经元,是人类所有科学和艺术活动的基础,被反复描述为已知宇宙中最复杂的物体。相比之下,MOS 6502微芯片包含3510个晶体管,运行太空入侵者,甚至不是我口袋里最复杂的物体。我们对大脑的工作方式知之甚少,但我们完全理解芯片。

所以,Eric Jonas和Konrad Kording想知道,如果他们像神经科学家那样研究芯片会发生什么?当在一个简单得多的人工处理器上使用时,用于研究复杂的哑脑现象的方法将如何?他们能重新发现我们所知道的关于它的晶体管和逻辑门的一切吗,关于他们如何处理信息和运行简单的电子游戏吗?忘记注意力、情感、学习、记忆和创造力;利用神经科学技术,乔纳斯和柯丁能理解驴孔吗?

不,他们不能。甚至没有接近。

尽管两人知道芯片的一切——每个晶体管的状态和每根导线上的电压——但他们的推断充其量是微不足道的,最糟糕的是严重误导。乔纳斯说:「我的大部分朋友都认为我们会对处理器的运作方式提出一些见解。」“但是我们提取的东西是如此的肤浅。我们看到处理器有一个时钟,它有时会读写内存。太棒了,但在现实世界中,这将是一个百万美元的数据集。”

上周,两人上传了他们的论文,题目是“神经科学家能理解微处理器吗?”?“经过2002年的经典。它读起来既像是一个好玩的思想实验(尽管有数据支持),又像是一个严肃的过招。虽然还没有经过正式的同行评议,但其他神经科学家已经把它称为“划时代的文件”、“分水岭时刻”和“我们心中都有但不敢写的文件”。伦敦大学学院的史蒂夫·弗莱明在他的博客上写道:“虽然他们的发现对于芯片设计者来说并不一定令人惊讶,但对于神经科学家来说,他们却是令人羞愧的。”。“这种反思正是我们确保神经科学朝着正确方向发展所需要的。“

耶鲁大学的伊丽莎白·克拉克-波纳指出,duos方法是物理等领域的标准做法。她说:「在欧洲核子研究中心,在使用大型强子对撞机资料的演算法寻找希格斯玻色子等新粒子之前,研究人员先通过「重新发现」一系列较旧的知名粒子来测试它们。」“在其他科学领域,比如生物学,这仍然缺乏。“

批评家可能会认为大脑不是电脑。它的架构比较混乱,在处理信息和记忆的方式上有根本的不同,并且附带一个身体。没错,但关键是芯片千差万别应该比大脑更容易理解。这不是,这应该让我们不仅要对神经科学的现状保持谨慎,还要对它的未来保持谨慎。克拉克-波纳说:「这表明我们对如何取得更多进展的信念必须重新调整。」

许多科学家把希望寄托在大数据上,这些大数据是从新技术中收集的,这些新技术可以记录成千上万个神经元的嗡嗡声,映射它们的联系,并拍摄活体动物整个大脑的活动。这一希望反映在同样庞大的预算中。2013年,陷入困境的人脑项目从欧盟委员会获得13亿美元,试图建立一个大脑模拟系统,而奥巴马总统则启动了大脑倡议,这是一项雄心勃勃的开发新大脑成像技术的计划。

「当他们宣布大脑倡议时,我想:天啊,未来将会在这里,」乔纳斯说。“但问题比我想象的要难得多。光靠大数据救不了我们。“

Jonas是在阅读了一个由“微芯片考古学家”组成的团队精心构建经典MOS 6502芯片后,提出这项研究的想法的。他们用显微镜拍摄了它,标记了不同的区域,确定了它的联系——这正是神经科学家绘制神经元或“连接体”大脑网络的方式。他说:「令我震惊的是,这些复古电脑爱好者也在使用同样的技术。」“这让我觉得芯片和大脑之间的类比[ ]非常强大。“

乔纳斯和科尔丁没有使用实际的芯片,而是使用了模拟,尽管模拟的精确度足以运行经典游戏,如驴孔、太空入侵者和陷阱。这给了他们实验性的全知全能——他们什么都知道,什么都可以调整。例如,它们可以在at处禁用每个芯片晶体管时间。通过这样做,他们发现了几个对启动所有三个游戏都很重要的游戏,还有一些只对一个游戏很重要。

脑科学家几个世纪来一直在做类似的事情,要么研究局部脑损伤的人,要么暂时关闭特定的脑区域。通过这样的研究,他们将不同的区域标记为记忆中心、语言中心或情感中心。但是乔纳斯和科尔丁斯的工作显示了为什么这样的推论可能是欺骗性的。他们没有发现“驴孔晶体管”或“太空入侵晶体管”;相反,他们发现执行基本过程的组件恰好对那些特定的游戏很重要。

他们还尝试了另外五种常见的方法——相当于分析单个神经元,或者像fMRI脑扫描一样平均小区域的活动,或者像上帝一样观察并寻找整个大脑的模式。这些都没有告诉团队任何关于芯片工作方式的有用信息。巴塞尔大学的凯利·克兰西说:“我认为这篇论文是对这一领域的一个极好的现实检验。我们可能并不缺乏数据,而是缺乏解释数据的方法。“

这并不意味着神经科学家在浪费时间,也不意味着我们对大脑一无所知。我们知道有些药物可以影响大脑,改善人们的生活,但却不知道它们是如何工作的。我们可以看到,对某一地区的破坏剥夺了某一特定能力的人,而不知道该地区通常做什么。克兰西说:「神经科学的技术绝非无用。」“它们是健康和疾病的有效读数,标志着疾病、学习、药物等方面的变化。但是用它们来筛选关于我们神经系统基本逻辑的意义是另一回事。“

要想取得进展,乔纳斯说神经科学家需要更加努力地测试他们关于大脑的理论。“关于大脑不同部分的功能,有很多理论,但他们没有做出虚假的预测。它们有这么多不同的旋钮,你可以转动,它们可以任意扩展以适应任意的数据位。很难把这些想法都推到路边。“

微处理器可能会有帮助。Kording说,如果有人对大脑如何处理信息有了新的理论,或者有了分析大脑数据的技术,“让我们看看它离理解芯片有多近”。“如果它在芯片上不起作用,我们怎么能指望它在大脑上起作用?“

与此同时,乔纳斯希望他的同伴对他们做出的承诺更加谨慎。脑倡议的发起伴随着许多关于理解和治疗神经和精神疾病的言辞。“离这还很远,”他说。“我担心,如果我们过度渲染和不充分渲染,我们可能最终陷入不太好的境地。“