認知科學導論/大腦架構與處理

雖然認知科學的主要關注點是在資訊處理層面上研究思維，但對於自然智慧（如人類這樣的動物），我們可以利用生物學的限制，特別是大腦的限制，來約束理論。

要了解大腦是如何工作的，你需要考慮幾個不同的過程。第一個是神經元的放電——或者更準確地說，是神經元放電速率的變化。第二個是神經遞質的濃度，第三是放電的同步性，這可以透過腦電波來測量。

神經元放電

不同的腦區相互連線，神經元放電使這些腦區之間能夠相互通訊。神經元的放電速率以及這些速率的變化代表了大腦中可以從一個區域傳遞到另一個區域的資訊。有數百種神經元型別，以及數千種亞型，每種都有自己的形狀、生化特性、與其他型別的連線以及電氣特性。 在本節中，我們將描述大多數神經元典型的行為。

神經元可以“放電”，這意味著它向其他神經元傳送訊號。當神經元放電時，它會釋放化學物質（稱為神經遞質）到自身和下一個神經元之間的空間中。這個空間被稱為突觸。下一個神經元的受體收集這些神經遞質。神經遞質被吸收的地方被稱為樹突。一般來說，這些神經遞質是興奮性的或抑制性的。接收神經遞質會改變神經元的電氣特性。如果它達到某個閾值狀態，那麼這個神經元也會放電。這個過程透過一個叫做軸突的結構傳送訊號，軸突通向與更多神經元的樹突的突觸。 這是一個比實際情況要複雜得多的卡通簡化，但它基本上是正確的。

據估計，人腦每秒可以處理大約 120 位的感官資訊。

讓我們舉一個簡單的時序例子。神經元產生一個電脈衝大約需要 1 毫秒。這意味著使用脈衝作為資訊的更高級別的資訊處理必須以更慢的速度進行。也就是說，使用神經元脈衝的思維活動必須比 1 毫秒慢。

同樣，我們可以看看神經元傳遞訊號的速度。軸突是神經元中向其他神經元傳送資訊的部分，軸突資訊以每秒幾米到數百米的速度移動（大約相當於每小時 1 英里到 268 英里）。神經元之間的連線，稱為突觸，也需要時間。化學突觸大約需要 0.5 到幾毫秒。還存在電突觸，可以將此時間縮短至幾乎為零。 速度很快，但不算快，這在處理過程中造成了很大的時間延遲。

大腦中大部分資訊處理都是透過神經元進行的。神經元是一種細胞，它接收資訊（通常來自其他神經元）。如果它獲得了足夠的資訊，它就會“放電”並將資訊傳遞給其他東西（通常是其他神經元）。

（描述神經元放電）

但放電與否並不重要。真正重要的是放電速率。所以即使神經元的放電是二進位制的，放電速率卻可以連續變化。放電速率範圍在每秒 0 到 500 個脈衝之間（脈衝之間大約有 2 毫秒的間隔）。不存在負放電速率。

我們可以看到，神經元的放電是二進位制的，但放電速率是模擬的。例如，在視覺系統中，許多神經元的放電速率表示落在視網膜特定部位的光的亮度。 這意味著，從某種意義上說，大腦是數字的還是模擬的取決於你關注的抽象層次。

神經遞質

神經元透過釋放稱為“神經遞質”的化學物質相互通訊。有許多不同的神經遞質（人類大約有 40 種），它們都具有多種功能。你經常聽到的一些神經遞質是多巴胺、血清素、乙醯膽鹼和去甲腎上腺素。特定神經遞質的化學濃度會影響神經元的放電，從而影響思維。例如，如果某人系統中有多巴胺，他們更容易發現模式，但也更容易出現強迫行為。

一些神經遞質也是神經調節劑，它們會改變神經元對其他神經元的反應方式，使它們對來自其他神經元的輸入更加敏感或不敏感。這些不是短暫的影響。這樣，神經調節劑可以在不重新連線神經元的情況下改變大腦的行為。

腦電波

理解大腦是如何工作的最後一種方法是考慮腦電波。大量的群組神經元可以同步放電，這些節律性模式也會影響思維。 這些可以透過腦電圖等機器來測量。