↖  电脑传奇(外篇):视“觉”..


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2020-07-02 , 879 , 0 , 134

12.青蛙之眼

真实的历史从来都比后世叙述更诡秘。

1946年,冯·诺伊曼对逻辑大脑模型提出尖锐批评,但似乎并未产生什么影响,皮茨1947年在控制论会议上还介绍自己正在撰写概率三维神经网络的博士论文。

维纳在《控制论》序言中也提到,1947年麦卡洛克和皮茨“接受了一个设计一种帮助盲人用耳代目阅读印刷品的装置的任务……能够把一个形象和另一个大小与它不同的标准形象做比较……引起了冯·博宁博士的注意,他立刻问道:‘这是不是一张大脑视觉皮质第四层的图?’受到这个启发后,麦卡洛克博士在皮茨先生的帮助下创造了一个把视觉皮质的解剖学和生理学联系起来的学说”。

这就是他们1947年发表的《论我们何以认识世界:对视听形式的感知》[1]。


当然,维纳也没把冯·诺伊曼的忠告忘在脑后。1951年,他说服麻省理工学院电子研究实验室副主任杰里·威斯纳,邀请神经生理学家成立“实验认识论(Experimental Epistemology)”研究组。

梅西控制论会议常任主席麦卡洛克已经年过半百,毅然辞去正教授职位而低就副教授,介绍三人认识的“媒人”莱特文也从最初级职位做起。

“控制论”金三角聚首麻省理工学院。就在历史“准备再次伟大”时,1952年正在墨西哥学术休假的维纳突然发电报给威斯纳:“请告诉(皮茨和莱特文),我跟他们,以及你的项目从此一刀两断。”


维纳发飙的原因,一种说法是皮茨和莱特文之前兴冲冲地给他写过信,说:“很多先进设备已到位,要做最好的研究。你快回来,回来晚了这个世界就都变了!”另一种广为传播的说法是,维纳太太捏造说,女儿被“那位波希尼亚人(指麦卡洛克)”的“男孩们”玷污了。

维纳断交肯定对皮茨造成了很大打击。对于15岁离家出走的皮茨来说,维纳既是知音和导师,还像父亲。

而如今突然火冒三丈,不可理喻地绝交,而且闭口不谈为什么,真的不合逻辑好吗!

真正不合逻辑的更大打击还在后头。


少了维纳,实验认识论组并未消亡。1955~1965年,他们合作发表了5篇论文[2~6],其中最著名的是《青蛙的眼睛告诉了大脑什么?》[4]这篇论文的第一作者是莱特文。

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莱特文本想成为一名诗人(他一生确实笔耕不辍),但他妈妈立场更坚定,“不学医,没学费”,他只得选择医学院。

UfqiLong

加入实验认识论组后,莱特文给自己的定位是,“为神经生理学的问题以及更清晰地定义这些问题设计新方法”。


莱特文研究青蛙开始于1956年。1953年,英国神经科学家荷瑞斯·巴洛(Horace Basil Barlow, 1921-)就发现青蛙视网膜有一种神经节细胞对运动斑点敏感(被形象地称为“小虫检测器”)[7]。

莱特文的这篇文章则发现4种新功能的神经节细胞。正如后来巴洛总结的:“单个神经元可以完成的任务比人们过去所想象的要复杂得多,也精确得多。”


皮茨参加了青蛙实验,有照片为证,他本来期望实验能为他的逻辑大脑模型提供实证。但是,莱特文回忆说[8]:“我们完成青蛙眼睛的研究后,他很明显地意识到,就算逻辑在这个过程中发挥了作用,也并非如我们所想的那样承担了重要或核心的工作,……这让他失望透顶。”

从12岁读完《数学原理》开始,逻辑就成为皮茨内心抵抗外部复杂世界的强大力量,冯·诺伊曼的批评和维纳的断交都未能击垮他。可如今,逻辑竟然连青蛙的大脑都对付不了,这从根本上撼动了皮茨的世界观。

他把研究报告、笔记和论文付之一炬,不再跟任何人说话,还经常失踪。莱特文回忆说[9]: “我们几天几夜地找他。”一代数理逻辑天才就此一蹶不振。


13.动物视觉

青蛙眼睛和大脑的会话未必符合数理逻辑,但符合生死时速的大逻辑。

研究青蛙视网膜的巴洛,他妈妈的爷爷达尔文在《物种起源》中曾写道:“如果假定眼睛能由自然选择而形成,我坦白承认,这种说法好像是极其荒谬的。”

为此,达尔文花了大量篇幅论证进化出眼睛的可能性(全书60多处提到眼睛)。

例如,“在关节动物这一大纲里,我们可以看到最原始的单纯被色素层包围着的视神经,这种色素层有时形成一个瞳孔,但没有晶状体或其他光学装置。”

瑞典隆德大学丹·克尼尔森教授把眼睛进化分为无向光感受器、有向光感受器、低分辨率视觉和高分辨率视觉4个阶段,估计50万年之内就足以进化出眼睛[9]。


最近已知,视感受器出现在6亿年前,鱼眼出现在5.5亿年前,而昆虫复眼出现在1.6亿年前。

人们往往想当然地认为,动物眼中的世界和自己看到的类似,实际上大相径庭。

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立方水母全身神经元也就1万多个,却有24只眼睛,4片膜上各有一只像不倒翁一样永远向上的眼睛,用以辨别身处开阔水面还是食物丰富的红树林。

夜间活动的飞蛾用复眼感知光线方向,但不分距离,靠遥远的月亮导航没问题,遇上人造灯火就麻烦了:或者扑火而亡,或者围绕灯光不停旋转,除非偶然离去,否则就只能撞死或累死。


猫在昏暗环境下捕食,感知亮度的视杆细胞比人眼多,但感知色彩的视锥细胞很少,因此猫看到的世界是灰色的。

古巴岩鬣蜥的世界五彩缤纷,它有4种视锥细胞,而人类只有3种,极少数女士有4种。

螳螂虾进化出12种视锥细胞,能够感知红外和紫外光,而且还能灵活转动,更加顾盼神飞。

有种跳蛛的视感受器排成V字形,功能就是识别配偶背上的V字形状。


接下来的问题就是:动物的神经系统是如何实现这些视觉功能的?

生物控制论创始人沃纳·赖夏特(Werner E. Reichardt, 1924-1992)1950年对伯恩哈德·哈森施坦因(Bernhard Hassenstein, 1922-2016)的甲虫视动反应实验感兴趣,两人提出了昆虫运动视觉感知模型,并于1958年在德国马普学会生物所共同创立控制论研究组,1968年独立为生物控制论研究所。


赖夏特作为创始所长,继续开展昆虫视觉信息处理过程的研究。

他选中的是脑复杂度适中的家蝇。1971年,刚拿到物理学博士学位的托马索·波焦(Tomaso Armando Poggio, 1947- )加入这项研究,发现了家蝇视觉飞行控制系统的秘密,并给出了精确的定量描述[10,11]:

家蝇的视觉器官并不感知人类熟悉的三维世界,而是直接感知一对方向角,再通过5个相互独立的固定快速反应(从视觉刺激到改变扭矩仅需2毫秒),实现起飞、着陆和追逐等动作。


1982~1984年,我国神经生理学家郭爱克院士(1940- )在赖夏特研究组作为访问学者参加家蝇视觉系统图形与背景分辨研究。

采用类似实验手段,郭爱克和唐世明在2001年发现果蝇具有抉择这种高级认知行为。

2006年,郭爱克和郭增强发现果蝇视觉和嗅觉的学习记忆可以跨模态增强。

2016年9月,果蝇全脑神经网络三维精细模型绘制完成,从神经元网络层次破解蝇视觉的秘密,曙光在前。


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