Reading notes of Brain and Behavior (V)

Prediction is very difficult, especially if it’s about the future. —Niels Bohr

这篇文章主要回顾<Brain and Behavior>中关于视觉的第五章。这一章最核心的内容是：视觉并非先天完整并可以自如使用的大脑功能，是一项需要通过后天练习和经验来慢慢学到的技能。我们应该如何理解这句话呢？我们知道，在身体里遍布的传感器是我们了解世界的窗口，眼睛也是其中之一。然而，和其他传感器像大脑发送的电化学信号一样，这些信号需要大脑的不同模块协力完成解码，才能成为我们可以理解的信息和知识。

如果你和我一样并不了解视觉对于大脑的重要程度，下面的信息可能会让你感到惊讶：在大脑中，有大概30%的模块是专门用来处理和视觉相关的信息的。与之对应的，处理触觉的模块只占大脑总量的8%，而处理听觉的模块只占大脑总量的3%。虽然我们的双眼只能捕获到很短波段的电磁波辐射信号（从390纳米到750纳米，占据电磁波可能的波长的十亿分之一），然而我们的大脑却学会了如何仅仅使用这些信息生存并繁荣。

人类的知觉是一个主动的过程，一个生物体并不总需要它所处环境的所有信息，而在大部分时候仅仅主动获取大脑认为必需的信息。为了节约有限的能量资源，很多对周遭世界的理解来自大脑对之前人生经验里获取的先验知识的某种编码（embedding）。使用这种方式，我们的大脑可以快速且低能量的对周围的环境得出知觉结论。这里有很多有趣的例子，例如当我们在欣赏一幅艺术作品时，双眼的运动会聚焦在某些小的区域，从而让我们获知和该区域相关的信息，而双眼并未扫达的区域里的信息虽然通过信号传入了大脑，但仍然会被我们忽略。另外，由于人眼视神经和眼球的结构，在我们的双眼中各有一小块区域无法接受外界传来的光信号，导致我们出现盲区（blind spot）。针对盲区和我们忽略的区域的信息，大脑会自动填充信息。另外，对同样的输入，有些视觉信息会让我们的大脑产生两个相互矛盾并相互竞争的解读。这说明视觉信号的最终解释完成是发生在大脑的高层结构里的。 从这个角度来说，大脑实际上是一个假设生成器，不停的对周围的世界建模并通过狭窄的感知窗口得到的输入来验证和修正内部模型。有一种假设认为，视觉从“无意识的推理”中产生。我们认为我们看到的真实世界其实只是大脑的复杂黑盒运算的结果，而这内部模型的输入不仅来自双眼，还有我们之前的人生经验。

关于视觉（和其他知觉）的另一个重要的结论是：我们的大脑在没有外界传感器输入的情况下也可以产生结果信息。一个很好的例子就是梦境。在梦中，一个人的所有感官基本都处在关闭接收状态，然而我们的大脑仍然可以产生由图像声音和触觉组成的世界体验。一些对监狱囚犯和被关在感官剥夺屋中的人的实验也证明，他们都可以在没有传感器输入的情况下产生逼真的幻觉。因此，正常视觉与幻觉几乎没有区别；它们的区别仅在于它们依赖外部数据的程度。幻觉就是未受外部数据约束的正常视觉。

最后，传统理论中把视觉和其他感觉的信息处理模型看作单向的feed-forward模型有很大缺陷。例如，你可以闭上眼睛幻想画面，你可以看清一个快速运动的物体并在它处于某处之前就先在脑中生成她处于该位置的图像。这些都说明脑中对视觉的处理模型不仅是前向的，而且带有反馈和时循环(feedback and recurrent)。

所有这些结论可以用一句话来总结：Your expectations influence what you see. 我们可以构建出这样一个视觉系统模型：即大脑中的视觉皮层有一个内部模型，这个模型对视觉系统传来的信息首先进行预测，并通过反馈网络告知视觉系统它期待的结果。视觉系统则将眼睛中的感光细胞接收到的信息经过前向网络处理，把它和视觉皮层期待的结果的不同（即感知误差）发回视觉皮层。视觉皮层根据这些反馈更新内部的模型，目的是通过误差调整内部模型以期在未来降低预测出错的概率。这个模型和一项试验结果非常吻合，即：从视觉皮层连接到视觉系统的轴突数量是相反方向的十倍。也就是说，大脑需要更多神经通路向视觉系统输送自己的预测结果，而仅仅需要较少的通路从视觉系统接收预测错误。至此，我们可以区分两个重要且不同的概念：“感觉”(sensation)和“知觉”(perception)。感觉是信号的检测。例如，当运动传感器被触发而打开车库灯时，我们说你的车的运动被“感知”到了。但是，我们没有理由认为运动传感器，一个简单的电路，能够有知觉。视网膜上光子如何被感知以及从那里传递信号的过程是视觉系统向大脑输入信息的过程，也是整个大脑中视觉模块很小的一部分。但是对于世界的知觉，需要更多的东西——具体来说，需要一个内部模型，与输入信号不断比较以发现不匹配之处。

我非常期待本书接下来的内容，那些和记忆还有注意力有关的部分将把“知觉”这个黑盒子打开，让我们一窥内部的结构。我将继续我的旅程。