[學習筆記] 視覺與大腦 - 從視覺的運作機制探討大腦的運作機制


Does the Brain Work by Computing?



Charles Babbage (1791-1871) 嘗試設計 analytical engine, 是現代計算概念的始祖.


他的 analytical engine (但在他有生之年並未能夠實際加以實現, 複製模型展示於大英博物館), 希望能夠進行通用的計算 (general computing).


Ada Lovelace (1815-1852) 把 calculating machine 的概念延伸到能夠計算人們能想到的任何問題的解答.

Is the brain a computer executing algorithms (software programs) using neurons and neural circuits (the hardware)?

這個想法很吸引人, 但問題在於 computation 的定義是什麼.

如果採狹義的定義, computation 的定義等同於 executing algorithms (algorithms are logical sequence of operations that can be expressed as a series of rule based steps that lead to the solution of some problem), 從視覺運作機制的探討可得知, 大腦並不是以這種方式運作.

如果採廣義的定義, computation 的定義是狀態的改變, 或甚至是解決各種問題, 則較為牽強 (farfetched).

Is the Brain an Engine of Reflex Associations?


Reflex 指的是對於刺激的自動反應.


生理學上的 reflex, 最被熟知的, 是 Charles Sherrington 所做的膝躍反射 (knee-jerk reflex) 研究.

上圖是真實情況的簡化版本, 實際上訊號會傳遞到皮質, 以調節反射動作. 另外, 膝躍反射是可以被制約的, 當連續敲膝蓋骨下方多次後, 敲擊時即使突然停下來沒有敲打到, 仍會觸發膝躍反射.

Reflex 的要點在於, 在 input 和 output 之間, 神經系統能夠自動建立關聯性來滿足某些目的. 以膝躍反射為例, 它可以讓我們在走路不小心踢到樹根時, 能夠不致於跌倒.

大腦能夠藉由建立神經連結關聯性反應 (neural network) 來解決問題嗎?


McCulloch 和 Pitts 在 1940 年代於 MIT 工作時, 建立了 artificial neural network 的概念 -- 由神經元連結組成的系統, 取得輸入的資訊, 經過足夠的學習 (嘗試錯誤, 調整每個神經元的輸出值, 以使得最終的輸出符合預期) 後, 能夠輸出正確的資訊, 輸出的結果也回授至輸入端, 使得系統能夠自動學習.


Genetic algorithm 應用在 artificial neural network 上, 模仿演化的程序 - 基因遺傳/突變, 能夠適應環境的基因/神經系統關聯性能夠保存下來, 否則就會被淘汰.

如果能夠建立一個複雜度夠高的 artificial neural network, 並使用 genetic algorithm 來演化它, 並且讓它解決生物上的問題, 例如視覺的問題, 我們或許就可以開始瞭解視覺系統或大腦系統是如何運作.

視覺與大腦: 要點總結


本課程是關於視覺如何運作以及客觀的世界如何連結到主觀的世界.

視覺的根本挑戰在於真實世界的影像來源是我們的感官無法得知的 (the real world sources of images can't be known), 這個問題稱之為 inverse problem.

明顯的解決方式是完全根據嘗試錯誤的經驗來產生視覺.

證據在於, 不同領域 (lightness, color, geometry, distance and depth, motion) 的視覺現象, 都可以根據這樣的基礎加以說明.

如果這樣的解釋是正確的, 視覺皮質的線路及其目的需要以這樣的方式來加以瞭解.

目前我們並不瞭解視覺及大腦的運作方式, 因此我們應該要對看似奇怪的想法抱持開放的態度.

延伸閱讀


[Coursera] Organization of the Human Visual System - What Vision Implies About How the Brain Works, by Dr. Dale Purves, M.D, Duke University.

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺所見到的亮暗,本質為何? (Seeing Lightness and Darkness)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺所見到的色彩,本質為何? (Seeing Color)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺見到的幾何形狀,和真實世界有何差異? (Seeing Geometry)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺見到距離及深度的方式 (Seeing Distance and Depth)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺見到運動的方式 (Seeing Motion)