神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)課件

1、神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)1 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)：概念和 事實(shí) Interpreting Neurodynamics: Concepts and Facts Harald Atmanspacher and Stefan Rotter Institute for Frontier Areas of Psychology and Mental Health, Freiburg, Germany Submitted to Cognitive Neurodynamics 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)2 原文介紹 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)3 1 引言 推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)受到廣泛關(guān)注的大問題：如何通過腦 活動(dòng)理解認(rèn)知、知覺和行為？ 要解

2、決上述問題，光是實(shí)驗(yàn)和仿真是不夠的，還需 要一個(gè)概念清楚的理論框架。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究的是神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)和特性的動(dòng)力學(xué)。 該文的目的是以神經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究為例説明：（1） 由于概念不清可能造成的錯(cuò)誤； （2）把詳盡的 結(jié)果納入可靠的概念框架可以產(chǎn)生什么樣的效果？ 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)4 1 引言（續(xù)） 將要闡明的幾個(gè)概念：（1）確定性（determinacy）細(xì)分為 動(dòng)力學(xué)確定性（determinism）和狀態(tài)確定性 （determinateness）；（2）隨機(jī)性（Stochasticity）的幾 個(gè)不同方面：可變性（variability）、變差（variation）和誤 差（error）；（3）

3、因果性（causation或causality）；（4） 實(shí)體論（ontic）描述和認(rèn)識(shí)論（epistemic）描述 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)中各個(gè)不同層次的描述從完全隨機(jī)性到完全確定 性之間變化，層次不同描述不同。 神經(jīng)狀態(tài)和心智（mental）、行為狀態(tài)之間的相關(guān)性 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)5 2 厘清概念：從確定性到隨機(jī)性 狀態(tài)確定性和動(dòng)力學(xué)確定性 個(gè)體描述和統(tǒng)計(jì)描述 實(shí)體論描述：按照系統(tǒng)自身的狀態(tài)和動(dòng)力學(xué) （as it is in itself）認(rèn)識(shí)它們。 認(rèn)識(shí)論描述：按照對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和動(dòng)力學(xué)的觀 察（as it turns out to be due to observation） 來認(rèn)識(shí)它們。 神經(jīng)動(dòng)

4、力學(xué)概念和事實(shí)6 2.1 狀態(tài)確定性、誤差和變差 認(rèn)識(shí)論描述基于觀察和度量，因此必然和上下文（context） 有關(guān)。由此不可能得出非常一般性的基本定律。 實(shí)體論描述基于系統(tǒng)自身的狀態(tài)和內(nèi)在性質(zhì)，因此和上下文 無關(guān)，并且適用個(gè)體描述。 實(shí)體論描述和認(rèn)識(shí)論描述的數(shù)學(xué)表示。實(shí)體論狀態(tài)可以用狀 態(tài)空間中的一個(gè)點(diǎn)x來表示，認(rèn)識(shí)論狀態(tài)可以用Kolmogorov 空間上的一個(gè)概率測(cè)度來表示。實(shí)體論狀態(tài)的點(diǎn)動(dòng)力學(xué)可 以用x(t)來表示，而認(rèn)識(shí)論狀態(tài)的集群動(dòng)力學(xué)則可以用 (x,t)來表示。 認(rèn)識(shí)論狀態(tài)不確定性的原因：誤差和變差 誤差、變差、方差和可變性。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)7 2.2 確定性、因果性和預(yù)測(cè)

5、如果T是狀態(tài)空間上的一個(gè)自變換，那么時(shí)間 t可以由T的t次冪的單參數(shù)群來引進(jìn)。如果認(rèn) 識(shí)論狀態(tài)的概率度量在變換T之下不變，則系 統(tǒng)演化無論前向或反向都是確定性的。 如果變換T不可逆，那么時(shí)間t可以由T的t次 冪的單參數(shù)半群來引進(jìn)。t是物理時(shí)間。 如果要能區(qū)分現(xiàn)在、過去和將來，就必須打 破時(shí)間平移不變性和時(shí)間可逆不變性 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)8 2.2 （續(xù)） 因果性意味著所涉及的事件之間存在相關(guān)性， 反之不然。要想從測(cè)量所得的相關(guān)性中得出 因果關(guān)系，必須把實(shí)驗(yàn)結(jié)果放到一個(gè)理論框 架之中。 拉普拉斯決定論 麥克斯韋強(qiáng)因果性 龐加萊弱因果性 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)9 2.2 （續(xù)） 有效因果性（eff

6、icient causation） 基于在先事件和在后 事件的有序關(guān)系之上的原因結(jié)果關(guān)系。 形式因果性（formal causation） 邏輯上的蘊(yùn)含 循環(huán)因果性（circular causation） 局部輸出作為局部輸 入的遞歸（recurrent）或復(fù)饋（reentrant）。這可由引進(jìn)時(shí) 間延遲避免。 下行因果性（downward causation） 多級(jí)系統(tǒng)中高級(jí)性 質(zhì)影響低級(jí)性質(zhì) Granger因果性 （ Granger causation） 如果可以用時(shí) 間序列A的較早片段預(yù)測(cè)時(shí)間序列B的較遲片段。（可能僅 僅是相關(guān)） 一個(gè)概念上的困難：難于用認(rèn)識(shí)論的手段完全預(yù)測(cè)實(shí)體論上 是

7、確定性的動(dòng)力學(xué)。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)10 2.3 概率和隨機(jī)性 粗略地講，隨機(jī)性就是除去確定性以后剩下 的一切。 確定性過程是隨機(jī)過程的特例 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)11 2.4 用確定性解釋隨機(jī)過程 通過隨機(jī)過程的自然擴(kuò)展（natural extension）可 以把隨機(jī)過程歸結(jié)為確定性過程。其要旨為把不可 逆的Markov半群演化擴(kuò)展為可逆的酉群（unitary group）演化 這種擴(kuò)展的實(shí)質(zhì)就是把環(huán)境也包括到系統(tǒng)中來，并 考慮所有的相互作用。 由于確定性動(dòng)力學(xué)和隨機(jī)動(dòng)力學(xué)可以相互轉(zhuǎn)換，所 以這兩種描述采取哪一種取決于方便 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究的目標(biāo)之一是解決腦究竟是一臺(tái)確 定性機(jī)器還是有非確定

8、性聯(lián)結(jié)的隨機(jī)事件發(fā)生器？ 不能肯定神經(jīng)動(dòng)力學(xué)究竟是否是確定性的。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)12 2.5 實(shí)體論和認(rèn)識(shí)論描述的層次結(jié)構(gòu) 高層次的認(rèn)識(shí)論描述不僅需要低層次的實(shí)體論描述，還需要 列出上下文。 在某特定描述層次i作為認(rèn)識(shí)論狀態(tài)和可觀察量只有在把低一 個(gè)層次的實(shí)體論狀態(tài)和可觀察量和第i個(gè)層次的突現(xiàn)可觀察量 結(jié)合起來才能被重新解釋為實(shí)體論狀態(tài)和可觀察量。 嚴(yán)格的還原論行不通。較高層次的可觀察量約束較低層次的 行為。 受約束的較低層次的運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度一般要比較高層次的運(yùn) 動(dòng)的時(shí)間尺度要小 實(shí)體論描述的相對(duì)性。 低層次描述只是高層次描述的必要條件而不是充分條件。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)13 3 神經(jīng)

9、動(dòng)力學(xué)的層次：從離子通道層 次到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層次 層次不同，概念框架和數(shù)學(xué)模型也不同。 只根據(jù)一個(gè)層次的描述，就要從神經(jīng)動(dòng)力學(xué) 得出普遍的結(jié)論是危險(xiǎn)的。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)14 3.1 單個(gè)神經(jīng)元的可靠性和精度 離子通道一般采取隨機(jī)模型 整個(gè)神經(jīng)元的描述是狀態(tài)確定性和動(dòng)力學(xué)確 定性的。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)15 3.2 神經(jīng)元活動(dòng)多變性的根源和時(shí)間 尺度 多變性的根源：突觸輸入各種調(diào)制性離子 通道突觸上的自發(fā)微事件 如果由上述各種原因引起的變化相互獨(dú)立且 在時(shí)間尺度上可分，則這些成分可分 變化的快慢不一定和層次的高低有關(guān)。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)16 3.3 遞歸皮層網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué) 在體皮層網(wǎng)絡(luò)

10、的活動(dòng)表現(xiàn)出高度的不規(guī)則性， 它很可能是確定性混沌 當(dāng)確定性混沌成分和隨機(jī)成分難于區(qū)分時(shí)， 采取隨機(jī)描述是切合實(shí)際的，但這并不意味 著這個(gè)過程本質(zhì)上就是隨機(jī)的。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)17 3.4 神經(jīng)元集群和脈沖相關(guān)性 Hebb的神經(jīng)元集群假設(shè) Hebb規(guī)則 不能由一組成對(duì)相關(guān)性得出高階相關(guān)性 突觸前脈沖和突觸后脈沖之間的因果關(guān)系 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)18 3.5 腦、心智和行為之間的相關(guān) 腦狀態(tài)、心智狀態(tài)和行為狀態(tài)之間的相互關(guān)系是認(rèn) 知神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的核心問題 這兩者之間存在著一對(duì)一（還原論）、多對(duì)一（充 分條件）、一對(duì)多（必要條件）和多對(duì)多四種可能 的相互關(guān)系。 不要輕易下因果關(guān)系的

11、結(jié)論！說“腦產(chǎn)生行為”在 概念上會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。 在不同的層次之間存在雙向作用，所以很難講結(jié)果 和原因，最好是尋找層次之間的相關(guān)關(guān)系。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)19 4 幾點(diǎn)結(jié)論 相關(guān)的事物只有當(dāng)有理論背景時(shí)才能用因果 關(guān)系來表述。腦狀態(tài)和心智行為狀態(tài)是相 關(guān)的，但是如果要講到因果關(guān)系要慎重。 不同層次的研究方法可能很不相同。還原論 不僅過于簡(jiǎn)單，而且是錯(cuò)誤的。在考慮層次 之間的關(guān)系時(shí)必須考慮到突現(xiàn)性和下行約束。 不能下結(jié)論說神經(jīng)動(dòng)力學(xué)究竟是確定性的還 是隨機(jī)性的。不能排除自由意志。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)20 某些評(píng)述 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)21 這篇文章提出了和神經(jīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)的一個(gè)根本問題。這就是 需

12、要一個(gè)概念清楚的理論框架來組織實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果，從而 回答腦狀態(tài)和心智行為狀態(tài)之間的關(guān)系問題。 這篇文章試圖澄清某些概念上的混淆，并提出要區(qū)分： 實(shí)體論描述和認(rèn)識(shí)論描述、確定性和隨機(jī)性、相關(guān)性和因果 性 。 強(qiáng)調(diào)相關(guān)性不等同于因果性。這確實(shí)是腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中的 一個(gè)普遍錯(cuò)誤，就是混淆現(xiàn)象和功能。腦狀態(tài)和心智行為 狀態(tài)之間存在相關(guān)性，但是是不是存在因果關(guān)系要慎重。認(rèn) 為不能說腦狀態(tài)就是心智行為狀態(tài)的原因。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)22 確定性和隨機(jī)性之間沒有不可逾越的鴻溝。 不能下結(jié)論說神經(jīng)動(dòng)力學(xué)就是確定性的。 還原論不對(duì)。必須考慮較高層次上的上下文、 突現(xiàn)和下行約束。 以上幾點(diǎn)有參考價(jià)值和值得思考，

13、但并不都 是作者的獨(dú)創(chuàng)。 該文也沒有提出一個(gè)理論框架。 該文對(duì)上述概念的進(jìn)一步細(xì)化，沒有得出很 有價(jià)值的想法，形式化也流于形式。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)23 幾點(diǎn)思考 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)24 什么是神經(jīng)動(dòng)力學(xué)？ 現(xiàn)在還沒有一個(gè)公認(rèn)的神經(jīng)動(dòng)力學(xué)定義。 我的看法：廣義地說，神經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究的是神經(jīng)系 統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，也就是神經(jīng)系統(tǒng)隨時(shí)間的變化過程和 規(guī)律。狹義地說，神經(jīng)動(dòng)力學(xué)是非線性動(dòng)力學(xué)和神 經(jīng)科學(xué)的交叉領(lǐng)域，把神經(jīng)系統(tǒng)作為非線性動(dòng)力學(xué) 系統(tǒng)或者復(fù)雜系統(tǒng)或者自組織系統(tǒng)來進(jìn)行研究。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究的特點(diǎn)是多層次和多學(xué)科研究，理 論研究和實(shí)驗(yàn)研究緊密結(jié)合，希望由此把神經(jīng)科學(xué) 的大量素材整合在一個(gè)理論框架之中。 神經(jīng)動(dòng)力學(xué)概念和事實(shí)25 腦科學(xué)研究中的兩種哲學(xué) 還原論觀點(diǎn)：高層次的活動(dòng)可以通過把高層 次分解成相互聯(lián)結(jié)的低層次的組分來加以解 釋。 動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)：上面的做法不一定能做到，關(guān) 心的是系統(tǒng)的長(zhǎng)期演化問題。可以通個(gè)重構(gòu) 吸引子來把握系統(tǒng)的長(zhǎng)期行為。 還原論者