從下往上看--新皮層資料的讀後感 第一部分：皮層細胞

第一部分：皮層細胞

    皮層結構由的量的細胞體構成。其構成相對簡單，按照現代的解剖學認知主要由pyramidal cell，granular cell和Fusiform Cell組成。儘管在性態上進行了詳細的劃分，但對於整體特性而言細胞都具有相相似的特性。下圖是一個詳細的分解圖，但對於本次的閱讀而言咱們不打算深刻細胞體內的詳細結構和特性。先把總體封閉起來，再作下一步的觀察。

 

 

簡化下來就剩下三個東西，樹突Dendrite，Cell Body(就是傳說中的soma),和Axon.這樣特性和功能就變得容易理解了。dendrite是細胞體電信號的接收器，也就是輸入鏈接，而細胞體提供具體的輸入特性，也就是進行輸入到輸出的轉換，而axon則輸出信息。總體就變得十分簡單。

 

 

 

 

獨立的觀察這些細胞個體，這些細胞個體表現出相似於三極管的特性。Dendrite和Axon在此過程當中表現爲導線的特性，負責電信號的鏈接和傳遞。當Dendrite輸入電信號超過一個閾值時，CellBody會向Axon輸出一個電信號脈衝。但這個輸入的強度和輸入的時長不會影響到axon端的輸出內容。這種特性表現的像是一個三極管加上一個理想脈衝發生器，知足閾值導通，同時又忽略輸入時長和強度。而在被觸發後一段時間內，細胞體同時不響應輸入。這個接收刺激，並活躍的過程叫作Depolarization,其結果會致使細胞體釋放一個

脈衝。在釋放脈衝後一段時間內，會進入一個安靜期(refractory period)這期間內細胞體不會由於輸入的改變而改變輸出狀態。按照如今能查閱的基本解釋，細胞體自己就像一個電容，一次放點後須要時間從新充電。這個安靜期自己被稱爲Repolarization。由此能夠得知soma基本處於三個狀態，激活->發脈衝，充電->對輸入不響應，非激活->輸入強度不夠，三個狀態。對輸出的脈衝存在兩種狀況，一些細胞體在被激活的狀態下呈現超極化hyperpolarization，名字很高大，往直白裏面說就是輸出的脈衝有兩種狀況。1.輸出脈衝爲正脈衝。2輸出脈衝爲負脈衝。說具體點就是激活後axon上體現的是+70mV的電壓仍是-70mV。由此能夠得知soma的基本微電路模型。這種實現有賴於細胞體內部的K+例子的活動，能夠想象這種藉由化學過程做用的狀態轉換速度是至關緩慢的。按照網絡上得到信息，這種機制下的單元fire speed最快不會突破1000Hz這個級別，一般在幾百Hz的速度上。這也就不難理解腦電波的爲什麼如此緩慢(貌似最快的也就是200Hz左右，大量被觀察應用的也就是幾十Hz)。而相應的硅基電路直接經過電子進行信息傳導在fire speed上如今已經能夠突破5GHz,這中間相差500萬倍以上，而按照如今的進展5-10年內碳基的nanotube還能進一步提高這個速度上限。從單元特性上人類貌似作了了不起的事情。

 

從這個維度上來看，硅基的CPU在微觀單元上已經甩開基於蛋白質的設計幾百萬條街道，但彷佛沒能在能力上全面超過腦。這詭異的現象使得大規模的學者和觀衆大開腦洞，這就來看看這些腦洞的開法。廣泛的解釋主要是兩類：

            1.規模差別，成年人nexcortex 中有164，000billion個Synapses, 23.6 billion個細胞。 平均一個細胞體佔6930個synapse.相對計算機而言集成度已經很是高的FPGA Stratix 也僅包含了30billion個三極管，若是考慮由其搭建的系統還有其餘芯片的狀況下整套系統的總晶體管數量能夠在幾百個billion這個數量級上。但這些三極管之間的鏈接形式基本都是1對1鏈接。也就是說到2015年，人類已經有能力將處理單元數量作到與人腦新皮層至關(neocortex),但在基本單元的鏈接複雜度上仍然遠遠低於人腦的規模。換而言之，新皮層在結構複雜度上甩開計算機幾百萬條街，這算是一個基本說的通的解釋。

            2.並行度， 儘管在fire speed上人腦採用的機制 遠遠低於硅基芯片。但其基本的結構與CPU有根本性的差別，信息進入計算機時，計算機必須將信息串行化後才能處理。而處理單元儘管速度飛快，但其同時僅有幾個有限的pipline在運做。而人腦彷佛表現出並行運做的方式，在Synapses複雜鏈接的soma之間處理信息，使得總體表現上CPU作不到大腦的特性。這也是一種相對有說服力的解釋。

其餘的解釋就有些神祕論的意思，好比」靈魂「，「意識體」，「高維度」等等千奇百怪。其中最典型的就是量子化說法，這個貌似高大上又缺少證據的想法認爲，這種特性的區別來自大腦計算的本質是量子計算，在沒邏輯支撐的狀況下這種說法我我的在這裏就忽略掉算了。省得越想越糊塗。

 

從這種橫向的比較能夠看到，規模和並行度，彷佛是產生能力差別的明顯區別。而這二者同時向咱們揭示了一個方向，鏈接結構和信息傳導結構與傳統馮式計算機存在根本性的差別。也就是說基本的計算單元的鏈接結構(拓撲結構)自己多是核心差別的所在。在馮式體系中晶體管經過一系列固定組合造成基本的計算功能單元。經過對這些基本計算單元的編程和組合構成處理信息的核心(ALU什麼的)，而經過另一組組合構建信息流的輸入控制(尋址，跳轉，這些基本能力)。以構建出一套能夠按照數據處理數據的設備(前面是指令，後面是信息數據)。而基本的使用方式則經過設計指令數據(編程)，實現擴展處理新數據的能力。在此基礎上處理數據的極限能力，收到基本計算單元的併發數量的約束。換而言之，整套基本處理機自己是固定的，不具有修改的能力。中間可變因素爲數據自己(指令數據和信息數據)，非處理機自己。而人腦彷佛在自然結構上具有調整鏈接結構的可能性。由此咱們找到了一個觀察和思惟實驗的維度和視角，那就是新皮質的鏈接拓撲，和輸入信息對這個拓撲自己的影響入手。