主题：【原创】教育探索（五）—从电脑认识大脑（1） -- 夕曦

通过与电脑的电子网络类比，如果你能够理解这样的观点：人类独有的思维意识的物质基础是一个信息处理网络。那么你有理由为自己自豪，这可能是人类历史上最重要的认识。按麻省理工学院心理学教授Steven Pinker的说法是：“推倒了分割物质世界和精神世界的最后一堵墙”[注1]。用政治课上的说法是：唯物主义与唯心主义对立统一的地方。

纵观电脑发展的历史，随着计算机技术的发展，CPU不断地升级换代，电子网络中的开关数目越来越多，信息处理功能也越来越强大。在相同开关数目的条件下，电路连接设计越精巧、越有效，信息处理功能也越强大。更好的信息通路连接对应于更“聪明”的电脑。

智商是常用的衡量人脑的认知能力的指标。认知能力也就是电脑信息处理功能。从信息处理网络来看，突触的数目越多，连接的越好，大脑就越聪明。所以高智商对应于更好的神经网络。

如果将我们对信息网络的认识应用到教育上，那么需要关心的首要问题就是：如何让孩子具有一个好的神经网络。

当你购买了一台崭新的、CPU功能强大的电脑，虽然有个强大的信息处理电子网络，但它还不能给你干任何工作。只有给它安装了程序和初始数据，它才能执行特定的任务。安装程序和初始数据，就是你对电脑“教育”的过程。不同的程序，能让电脑执行不同的任务。安装的程序越多，电脑能执行的任务也越多。但电脑的存储空间有限，处理能力有限，不能无限制、随心所欲地安装。

对人脑的神经网络来说，也有安装程序和初始数据的要求。程序就是社会文化的基本规则，如算法规则、逻辑规则、社会法律、伦理规则、文化习俗等；初始数据就是基础知识。教育就是孩子掌握基本规则和知识的过程，是为了将来能做事情用的。

电脑的电子网络是一次性制造完成的，程序和数据的安装也可以在短时间内完成。但人脑的神经网络不是再生下来就构建好了，而是需要近二十年才能够发育完成。教育的主要过程是伴随着大脑的发育进行的。教育的内容和方式必须根据大脑在不同阶段的发育特点进行。

为了能够理解、比较判断、实施好的教育，还得进一步了解大脑发育的特点。

夕曦:【原创】教育探索（六）—大脑神经网络是如何形成的

参考资料：

1、The Blank Slate: The Modern Denial of Human Nature by Steven Pinker

电脑的电子网络是由许多不同类型的电子元件组成的，而组成大脑神经网络的基本元件只有一种，叫做神经元（neuron）。它既是连接导线又是开关，象Lego玩具积木那样拼接在一起，构建成巨大复杂的信息处理网络。

神经元是一种特殊分化的细胞，专门用于传递信号的，具有独特的形态结构。

（图片来源：外链出处）

从上图能够看到：神经元不像其它类型的细胞，形态很不规则，从细胞体（cell body）向外伸出很多突起，就是通常说的神经了纤维。其中总有一条最长的突起，叫轴突（axon）。轴突两端一般都有象树枝样分叉的结构，靠近细胞体一端的结构有个比较形象的名字，叫做树突（dendrite），另一端叫轴突末梢（axon terminal）或神经末梢。轴突是神经元信号传导的主干，一般是单向传导，信号从树突端接受（输入端），经过轴突传导，从轴突末梢端传出（输出端）。有些神经元的轴突可以被其它特殊的细胞包裹，形成一节一节的绝缘保护层，叫做髓鞘（myelin sheath）。髓鞘既可以降低信号干扰，又加快了神经元信号传递的速度。

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电脑的电子网络中信号的传导是以电流在导线中流动实现的，而大脑的信号传导不是在神经纤维内进行的，而是在神经纤维的细胞膜上进行的，是个电化学相互转化的过程。静息时神经纤维细胞膜的内外由阳离子的浓度不同维持一个外正内负的电位差，膜的外表面为正，里面为负。神经纤维受到刺激时，接受刺激点细胞膜上的离子通道（一种镶嵌在细胞膜上的蛋白装置）快速动作，引起阳离子发生跨膜流动，电位差的极性发生短暂改变，变成外负内正，随后又回复正常的外正内负单位差。这种细胞膜电位差的快速反向变化叫做动作电位（action potential）。受刺激点发生动作电位，会引起左右相邻细胞膜上的离子通道发生相应的通透性改变，随后也产生动作电位。这样动作电位就从产生点沿神经纤维的连锁、顺序发生，形成动作电位的顺序传播，这就是神经信号的传导。

（图片来源：外链出处）

对于一个神经元来说，其表面的细胞膜是完整连续的，动作电位可以在上面没有间断地传导。神经元是构成神经网络的基本元件，相互之间必然有某种连接以接续信息传导。不同神经元的细胞膜不是连续、不间断地融合在一起的，所以动作电位不能直接在神经元之间连续传递。为保证信号的传递，神经元形成了特殊结构的连接装置。这些连接装置多处于神经元细胞的不规则突起上，在树枝末梢呈球状或环状膨大附在另一个神经元的胞体或树突表面。根据这一独特的形态，连接装置被形象地叫做突触（synapse）。

（图片来源：外链出处）

现在已知有两种类型的突触，一类是电突触，一类是化学突触。

电突触中两个神经元的细胞膜靠的非常近，突触间隙很小，一些离子通道直接越两个神经元的细胞膜，两个神经元上的离子通道一对一地匹配形成一个通道。这种结构相当于细胞膜的直接融合，从一个神经元直接延伸到另一个神经元。一般认为电突触仅仅起连接作用，信号在神经元之间的传递不发生改变，传导速度快、没有延迟，而且传导方向是双向的，从哪一边都可以。

（电突触的结构，桔黄色的六花瓣样的结构是离子通道。图片来源：外链出处）

化学突触是人大脑中最常见的神经元连接，将动作电位信号通过化学信号在神经元之间传导。代表化学信号的物质统称为神经递质，贮存于前一个神经元（突触前神经元）末端膨大部分的囊泡内。突触前神经元动作电位传导到突触时，神经递质被释放到突触间隙，经扩散方式到达突触后膜（突触后神经元），与细胞膜上的神经递质受体结合，引起与受体相联的离子通道开放，使相应的离子经通道进入突触后部，产生突触后神经元局部电位的变化。

（化学突触的结构。图片来源：外链出处）

如果神经递质作用的结果导致后一个神经元产生动作电位，则接续了信号传导，相当于开通了信号通路，是兴奋性突触，如以下动画。

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另一类化学突触神经递质作用的结果可抑制突触后神经元上正在传导的动作电位，相当于关闭了信号通路，是抑制性突触，如以下动画。

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化学突触的信号传导是单向的，从前一个神经元的输出端通过化学突触的神经递质，传给下一个神经元的输入端。一个神经元既可与通过突触连接到其它许多神经元上，或输出装置的细胞上如肌肉、分泌腺体等；亦可通过突触接受来自其它神经元或输入装置细胞（如视、听、嗅、味等感应细胞）的许多突触信息。对于大脑内的大多数神经元来说，突触是信号的唯一输入渠道。与某一神经元相连的所有前一级细胞都通过突触向细胞传递关于自身的信息。

突触在神经元上分布的密度大致相同，神经元细胞的不规则突起可极大地增加突触连接的数目。每个神经元上突触数目平均约为1万个左右。在一个神经元上接受的众多突触中，有些是兴奋性的，有些则是抑制性的。如果所有兴奋性突触活动的总和超过抑制性突触活动的总和，并足以刺激该神经元的轴突起始段产生动作电位时，则该神经元发生兴奋；反之，则表现为抑制。

所以，在由神经元连接构成的网络中，化学突触是信息处理网络的开关，是人脑中二进制系统的基础。处于不同开关状态的化学突触组合，构成了信息存贮（记忆）的基本模式。神经元以化学突触为开关形成的逻辑回路，是大脑进行数学和逻辑运算的基础。类似于电脑电子网络，大脑的所有信息处理功能，包括信念、记忆、思考、计划、学习、训练、尝试等，都是在神经网络中完成的。

大脑神经网络及其复杂，一般先由功能相近的神经元在大脑的特定区域相互连接，构成信息处理的基本功能区，即局域网络；基本功能区之间再通过高速的神经通路连接、整合、协调，形成更高一级的功能域，具有更强大的信息处理功能，并能够同时处理多项任务。使用最新的医学影像学技术，并经过电脑的处理、分析，人们正在逐步发现、认识这些功能区域。

可以想象，大脑中还可以有更高层次的区域整合，最终能够支持人类大脑的最高级活动，如思维，想象等。站到更高的社会角度来想象，以每个个人大脑为单位，当做接受或拒绝信息的开关，以各种沟通渠道作为连接大脑的导线，就是一个社会网络。在社会网络层次上处理的信息，就是人类社会的文化，或文明。只不过社会网络中信息传播速度远远低于大脑和电脑网络的信息传播速度，所以只能在很长的时间范围内（历史）进行观测。

第一台电子计算机是John Atanasoff和学生Clifford Berry从1937开始制造，1942测试成功的，但这台计算机不能改变程序。

世界上第一台可编程的电子计算机（ENIAC）出现于稍后的二次世界大战期间，主要用于军事用途。那时的计算机是使用模拟信号的电子计算机，体积巨大，耗能也巨大，达174千瓦，相当于近六千台现代的笔记本电脑（30瓦左右）。

（第一台可编程的计算机ENIAC，图片来源：外链出处）

不论是中文还是英文，顾名思义，计算机是执行计算任务的机器，可以按照编制好的程序自动进行数学和逻辑运算。几乎在出现的同时，人们还用另一个名字称呼计算机：electronic brain，就是我们今天经常叫的另一个名字：“电脑”。这很容易理解，人脑和电脑最相似的地方在于信息处理。计算机可以做一些人脑做的任务，对大量重复的任务计算机甚至做得更好、更精确。

计算机的信息处理离不开三大核心功能：信息存储（数据库）、运算（运行程序）、反馈（存储信息经运算后产生新的信息保存或更新存储的信息）。在人脑中可以很容易地看到对应的信息处理功能。如人的信念、记忆等对应电脑的信息存储功能；思考、计划类似电脑的程序运行过程；学习、训练、尝试等对应于电脑的反馈功能。

我们在学校中被反复灌输的一个概念是：“结构决定功能”。就是说具体的功能总是由相应的特殊结构决定的。决定信息处理功能的基本结构必定包括数据存储结构，进行计算的结构，与外界联系的输入/输出结构，和保证这些结构正常运行的协调、控制结构（执行控制）。对电脑来说，这些结构统称为CPU，即中央处理器。挑选电脑时，比较CPU的技术指标是判断电脑信息处理功能强弱最重要的指标。

在传统的计算机中，CPU的各组成部分有大致相同电子结构，就是由大量的小电路组合成的网络系统，在这个网络中小电路由电子开关控制开通或关闭。所有的信息存储和运算都是在这个电子网络中实现的。

（集成电路内部电路图，图中“-|<”或“>|-”机构代表了电子开关。图片来源：外链出处）

这些小电路代表了最基本的数字信息，开通时为“1”，关闭是为“0”（即二进制系统）。一个小电路就是一个基本的字节，信息存储可通过复制这些最基本小电路（字节）实现的，即不同字节上的不同开/关组合可代表了不同的信息。另外，以小电路为基本单位，还可以设计构建逻辑电路，用来控制其它小电路的状态，最终可以实现数学计算和逻辑运算。在有限的结构内，以电子开关为核心的小电路的数目越多，数据存储和运算能力就越大，信息处理的功能就越强大。

（具有四个与非门逻辑电路的7400集成电路芯片。图片来源：外链出处）

现代计算机技术几乎全部使用以电子开关为基础的二进制系统。这种“逢二进一”数制系统使电子开关的制造更简单可靠、更准确，能够在有限空间内容纳更多的小电路形成更强大的CPU。同时允许使用其它具有二元特性的材料制造专用的存储设备。与十进制的加减乘除等运算相比，二进制数据计算法则更简单，最常用的是加法运算和乘法运算，大大简化了信息处理过程。还有一个特点，二进制可以用同一套数据格式和算法实现数学计算和逻辑运算。

现在，你可以发挥一点儿想象力，将电脑抽象为一个由线与点连接形成的空间网络结构，如下图所示。

在这个网络中，线代表与电路相关的各种元器件（如电阻、电容、电感、二极管、三极管等），点代表关键的电子开关。网络不同区域的亚结构有所不同（由设计决定），适用于不同的功能。所有的信息处理功能，包括数据存储、运算、输入/输出、执行控制，都可以在网络中完成。

更有意思的是，再多想象一些，将上图的点用计算机替换，将线用连接计算机的IP地址的连线代替，就变成了互联网。在互联网中的信息处理，就是很时髦的“云计算”。实际上，上图就是2005年1月15日运行的部分互联网实图（来源：外链出处）。

所以，信息处理功能是通过有开关的网络结构来实现的。

大脑是人体内的信息处理器官，那它有没有个带开关的网络结构？

当然有了，就是神经网络。

上图是构成小鼠大脑的14个基本单元的网络连接（Nature 2011 471,177–182 外链出处，3D视频：外链出处）。而人脑中有10的11次方个这样的基本单元，远远比电脑的电子网络复杂。

请教有没有这个研究的相关资料？想先预习一下。

欧，刚看到您上一篇帖子给出的参考资料。我这就去找一下。