认知科学导论/大脑架构与处理

虽然认知科学的主要关注点是在信息处理层面上研究思维，但对于自然智能（如人类这样的动物），我们可以利用生物学的限制，特别是大脑的限制，来约束理论。

要了解大脑是如何工作的，你需要考虑几个不同的过程。第一个是神经元的放电——或者更准确地说，是神经元放电速率的变化。第二个是神经递质的浓度，第三是放电的同步性，这可以通过脑电波来测量。

神经元放电

不同的脑区相互连接，神经元放电使这些脑区之间能够相互通信。神经元的放电速率以及这些速率的变化代表了大脑中可以从一个区域传递到另一个区域的信息。有数百种神经元类型，以及数千种亚型，每种都有自己的形状、生化特性、与其他类型的连接以及电气特性。 在本节中，我们将描述大多数神经元典型的行为。

神经元可以“放电”，这意味着它向其他神经元发送信号。当神经元放电时，它会释放化学物质（称为神经递质）到自身和下一个神经元之间的空间中。这个空间被称为突触。下一个神经元的受体收集这些神经递质。神经递质被吸收的地方被称为树突。一般来说，这些神经递质是兴奋性的或抑制性的。接收神经递质会改变神经元的电气特性。如果它达到某个阈值状态，那么这个神经元也会放电。这个过程通过一个叫做轴突的结构发送信号，轴突通向与更多神经元的树突的突触。 这是一个比实际情况要复杂得多的卡通简化，但它基本上是正确的。

据估计，人脑每秒可以处理大约 120 位的感官信息。

让我们举一个简单的时序例子。神经元产生一个电脉冲大约需要 1 毫秒。这意味着使用脉冲作为信息的更高级别的信息处理必须以更慢的速度进行。也就是说，使用神经元脉冲的思维活动必须比 1 毫秒慢。

同样，我们可以看看神经元传递信号的速度。轴突是神经元中向其他神经元发送信息的部分，轴突信息以每秒几米到数百米的速度移动（大约相当于每小时 1 英里到 268 英里）。神经元之间的连接，称为突触，也需要时间。化学突触大约需要 0.5 到几毫秒。还存在电突触，可以将此时间缩短至几乎为零。 速度很快，但不算快，这在处理过程中造成了很大的时间延迟。

大脑中大部分信息处理都是通过神经元进行的。神经元是一种细胞，它接收信息（通常来自其他神经元）。如果它获得了足够的信息，它就会“放电”并将信息传递给其他东西（通常是其他神经元）。

（描述神经元放电）

但放电与否并不重要。真正重要的是放电速率。所以即使神经元的放电是二进制的，放电速率却可以连续变化。放电速率范围在每秒 0 到 500 个脉冲之间（脉冲之间大约有 2 毫秒的间隔）。不存在负放电速率。

我们可以看到，神经元的放电是二进制的，但放电速率是模拟的。例如，在视觉系统中，许多神经元的放电速率表示落在视网膜特定部位的光的亮度。 这意味着，从某种意义上说，大脑是数字的还是模拟的取决于你关注的抽象层次。

神经递质

神经元通过释放称为“神经递质”的化学物质相互通信。有许多不同的神经递质（人类大约有 40 种），它们都具有多种功能。你经常听到的一些神经递质是多巴胺、血清素、乙酰胆碱和去甲肾上腺素。特定神经递质的化学浓度会影响神经元的放电，从而影响思维。例如，如果某人系统中有多巴胺，他们更容易发现模式，但也更容易出现强迫行为。

一些神经递质也是神经调节剂，它们会改变神经元对其他神经元的反应方式，使它们对来自其他神经元的输入更加敏感或不敏感。这些不是短暂的影响。这样，神经调节剂可以在不重新连接神经元的情况下改变大脑的行为。

脑电波

理解大脑是如何工作的最后一种方法是考虑脑电波。大量的群组神经元可以同步放电，这些节律性模式也会影响思维。 这些可以通过脑电图等机器来测量。