大脑信息处理运作机制的模型——过程存储和过程重组模型

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大脑信息处理运作机制的模型——过程存储和过程重组模型

  本文的基础观点是：由血液循环决定的，大脑中生化环境的周期性变化，是几十亿个脑细胞能够在处理复杂信息的时候协同运作的“基础时钟”。 几十亿个脑细胞 随着血液循环的“节拍”，呈现出一定的同步运作的规律：脑电波。解释了脑电波的产生机制，三种主要脑电波之间的关系。
  在这个观点的基础上，对大脑的运作方式进行建摸，对大脑如何感知物理世界的连续过程，在做梦和回忆的时候如何“想起”以前经历过的连续过程和日常中我们常见的各种心理体验提出解释。
  该模型能够解释目前作者了解到的各种神经生物生学，解剖学，心理学，比较解剖学现象和实验结果。包括国内外最近的实验现象。

一．时间感，过程感的本质
时间感（或则时间流逝感）其实是一种压感，来源于当血液流经大脑的血管网的时候，对脑细胞造成的压感，而过程感则是大脑中记录情景（照片）的一个细胞群序列兴奋的信号和压感通过“捆绑效应”整合给人的感觉（即有点象放电影）。（比如在视觉上两幅独立的画面通过基于视后像的连续画感和压感“捆绑”起来形成主观上“看到某一过程”的感觉。）

二．采用第一部分中时间感，过程感的本质来解读脑电图：

（1）观察δ波与颈动脉血压的波形比较可以发现样子十分类似：前拨较陡后波较长。而且从波形参数上看来，δ波的频率为0。5~3HZ（单波周期为0。33~ 2S），而人的心跳频率为 1~1。66 HZ（单波周期为0。6~ 1S），在数量级上是非常的接近的（如果考虑到脑电波是大量神经元同步活动产生的突触后电位的总和，和复杂的系统误差）。在这里，我们很容易产生一个猜想：
血液对血管壁的“压力波”——产生——> δ波

（2）比较α波，β波，δ波的参数和波形特征：
α波：每一梭形波持续1~2秒（频率为0。5~ 1HZ），梭形波由频率为8~13HZ（0。0769~0。125S），幅度为20~100 缪伏 （通常为50 缪伏左右）的节律性波形所组成。
δ波：频率为0。5~3HZ（周期为0。33~2S），波幅为20~100 缪伏
β波：5~20缪伏的波幅，14~30HZ

比较上面三组数据，结合一中提出的看法：我们可以采用如下的模型来解释几种脑电波之间的关系：
δ波 是由血液对血管壁的“压力波”作用于脑细胞，时期产生周期性的兴奋（这时，我们感觉到了时间流逝感，即轻微的压感）

当我们大脑中记录各个情景（照片）的细胞群G1，G5，G3。。。随机，无序地兴奋，并且这种兴奋的感觉（表现为某一影象在我们脑海中的浮现）和我们的时间流逝感通过“捆绑效应”整合起来的时候，这种情况出现在我们闭着眼睛，即使什么也不想，但会不由自主地浮现一些东西。这时，在脑电波上表现为α波。注意由于某种原因（本文后面给出了一个猜测），这种整合作用在脑电波上表现为波幅的拮抗，即由于，细胞群G的兴奋信号整合到δ波的时候，在整合的那个时间点上，把δ波的波幅减小，看起来就是把也就是δ波在一个周期内被“切成”了一组碎波，而这组碎波的包络线就是一个梭形波。通过这个“整合模型”，我们就可以解释为什么α波的梭形波频率（0。5~ 1HZ），包络线幅度为20~100 缪伏 （通常为50 缪伏左右）和δ波频率0。5~3HZ（周期为0。33~2S），波幅为20~100 缪伏，在有着“脑电波是大量神经元同步活动产生的突触后电位的总和，存在复杂的系统误差”这一客观事实的影响下，在波形参数上依然有着这么惊人的吻合。

当我们有思维活动的时候，或者接受外界刺激的时候（比如睁开眼睛）。这时，我们大脑中记录各个情景（照片）的细胞群G1，G2，G3。。。会以有序，更“密集”的方式整合到δ波上。也就是单位时间内，脑海有越多浮现的东西和我们的时间流逝感（压感）进行整合。由于在每个时间单位中，整合到δ波上的信息元神经群的兴奋信号更加密集，所以几乎δ波被拮抗成一条直线，也就是脑电波上表现为5~20缪伏的波幅，14~30HZ的β波。这种情况所对应的我们的心理体验是：当我们在想一些事情的时候比我们什么都不想的时候，有更强的时间流逝感。也就是拮抗越频繁和两种感觉整合时被减小的波幅越大，我们就可以感到越强烈的时间流逝感。有一个心理体验可以做为一个佐证：当我们在上升的电梯减速停下来的那几秒种内，或者电梯从静止开始下降的几秒钟内，如果我们进行“有意识”的思考活动，我们可以感觉到比平时更强烈的时间流逝感（因为这时候有更强的压感）。而如果那几秒钟内我们什么都不想，则我们并没有感觉到比平时更强烈的时间流逝感（这时拮抗频繁和强烈程度并没有增大）。
  如下图所示：在下面模型中，是把G1，G2，G3等区域在时间上“展开”，在空间上可能是同处于皮层中的某一区域。

三．采用上述模型可以解释人类在不同时期，不同情况下的各种脑电波现象，以及一些和时间感知相关的感觉解释。
（1）  人类在不同年龄，不同的身体状况下有不同的脑电波现象
婴儿时期可以出现δ波，这和儿童要等到智力发展到一定的程度，大约8~9岁后才有梦的经历[1]（不过在我自己的回忆中，我还不懂说话的时候就会梦到一些场境，原文中说儿童到8~9岁，估计是由于这个时期，随着对语言的学习，儿童的语义式记忆迅速增多，更有利于信息重组的进行）都可以按照我们上面提出的模型来解释，因为在出生后的一端时期内，用于“过程重组思维”所须的“各种情景片段”还不多，所以过程重组思维并不活跃，所以有大量“还未负载”的δ波。

（2）人类在睡眠过程中出现的脑电波现象:

在慢波睡眠期的III期（中度睡眠期）和慢波睡眠IV期（深度睡眠期），这段期间δ波出现的数量分别占20%~50%和50%以上。而在异相睡眠期，脑电图和觉醒的时候类似，呈现不规则的β节律。如过按照上面的模型，前两个睡眠期大脑中的“脑海相对有序地浮现的东西和我们的时间流逝感（压感）进行整合这一过程重现过程（睡眠时表现为做梦）”应该是不活跃的。而在异相睡眠期，我们感觉到的过程重现过程（做梦）应该是比较活跃的。而事实上，据统计，191例被试者在异相睡眠期被唤醒后，报告正在做梦的有152例，占80%左右；而160例被试者在慢波睡眠期被唤醒后，报告正在做梦的仅11例，约占7%。这和上述模型的预言是一致的。

(3)对于时间流逝快慢的感觉解释：

  在这里引入一个定义：时标事件：在我们回忆已逝去的某一段时间的时候，能以二中模型所表达的方式整合到我们的压感中，在我们脑海中“重放”过去所体验过的过程的那些事件，称为“时标事件”（既包括原始的没有经过加工的情景式记忆，比如从树上摘下苹果的情景，也可以是已经表达为文字，语言等的语义式记忆，比如“某年某月我从学校毕业”）。当我们回忆某一段时期内的经历的时候，相对应的一系列的“时标事件”就会以上面提出的模型中的方式整和到我们的“压感”中，形成我们对那一段时期的“过程重体验”。

  关于“时间长短”这一抽象概念，我认为是由（1）过程感（2）“过程感关注起始点T1”和“过程感关注结束点T2”两个物理时间点（3）在T1和T2之间我们对自己血循环次数（即脑电图上表现为δ波的压感波波峰的个数）一个“潜意识的计数”三个因素综合产生的。

  当我们有意识或无意识地评判一段过程的长短的时候，如果对应那一段时期的“时标事件”比较多，那么“过程重体验”这一过程（T2-T1）就需要比较长的时间，由于上面两段提到的原因，我们会产生“那段时间很长”的抽象概念，在我们的感觉就是，那段时间过的很慢；反之，就会觉得那段时间过得很快。也就是说，在心理上，我们总把“过程重体验”这一过程所需的时间长短当成过去那段经历的时间长短。这一过程这就是为什么我们现在回忆我们从出生到现在的经历的时候，会觉得“时间一眨眼就过去了”，因为在我们回忆的时候，都采用
一些表达为文字的语义式记忆，和一些静态画面片段：比如 （小学，学校的花园）（中学，老师的办公室）（高中，课室的黑板）（大学，图书馆）这些信息整合到我们的压感中，形成过程感其实只耗费了很短的时间，所以我们感觉“过去的人生只是转眼一瞬”。如下图所示：

综合（3）中所叙模型，就可以解释为什么我有时候觉得时间流逝快，有时候觉得时间流逝慢的现象。比如，在机械的日常重复事务人们会觉得时间过得很快[2]，这是因为这个时候，事务的常规性使得我们缺乏新鲜感，我们很少去“关注”它们和压感整合所产生的“过程感”即上图二中的（T2-T1）的时间很短。而又由于给大脑的刺激不强，所以很难形成长期记忆（也就是时标事件），所以当我们回忆这段时间的时候，由于时标事件很少，“过程重体验”所耗的时间很少，所以无论是在当时还是回忆的时候，都会觉得时间过得很快。

四．过程感重组所需信息摄入过程模型和所涉及生理结构

这里要解决的是提出一个描述“在前三部分中的G1，G2，G3…这些信息在大脑中是怎么存储的?”的模型。下面描述的模型在具体实现的生理机制细节上可以有所变动，只要功能相同即可。

首先，以视觉为例说明一个物理世界的连续过程是怎么存储到大脑中的：
（1）  相关的解剖学结构：在人类的神经系统中，传入神经通路经过辐射结构分散到大脑皮层的现象普遍存在：躯干和四肢温痛觉经丘脑中央辐射，经内囊后肢投射到中央后回中，上部和中央旁小叶后部。 视觉通路中，经视辐射经内囊后肢投射到端脑距状沟两侧的视区。听觉有听辐射，经内囊后肢，止于大脑皮质的听区颞横回。这种辐射结构，实际上提供了一种把兴奋信号分流，“分散”到某一个大脑皮层区域的不同“地方”的功能。比如，分散到视区的几个不同的皮层神经细胞群。

（2）视后像现象（注视一个光源或者较亮的物体，然后闭上眼睛，这时可以感觉到一个光斑，其形状和大小均与该光源物体相似，这种主观的视觉后效应称为视后像）这时，是由于大脑视区的某一群细胞处于兴奋状态。结合（1）中所提出的各种辐射结构的“存储空间分流”作用，也就是，第一帧图象经过辐射结构的分流后被存储到大脑的G1细胞群，第二帧图象经过辐射结构的分流后被存储到大脑的G2细胞群。。。当然，其中免不了会出现部分重叠。

（3）（1）和（2）中提出的设想符合影象记忆很容易被其他后来刺激所掩盖这一客观事实。而也是因为这存储空间上的部分重叠，成为以后连续感和信息重组的基础因素之一。一个过程的存储过程模型如下图所示：

STEP1：第一幅采样图象传到G1区以后，引起了G1区细胞的兴奋，此时，由于“压力波”作用，处于G1区附近的B1神经细胞也处于兴奋状态，经过一系列的生化过程，G1区的细胞群和B1细胞之间形成了兴奋性的突触。而在离B1和G1比较远的G2区的细胞，由于空间距离，与血液循环相关的周围生化环境差异（后面将进一步说明）等原因，经过另外一种生化过程和B1细胞之间形成了抑制性的突触；

STEP2：第二幅采样图象传到G2区以后，引起了G2区细胞的兴奋，此时，由于“压力波”作用，处于G2区附近的B2神经细胞也处于兴奋状态，经过一系列的生化过程，G2区的细胞群和B2细胞之间形成了兴奋性的突触。而在离B2和G2比较远的G1区的细胞，由于空间距离，与血液循环相关的周围生化环境差异（后面将进一步说明）等原因，经过另外一种生化过程和B2细胞之间形成了抑制性的突触；

STEP3：重复STEP1 和STEP2的过程，随着时间的推移，形成了一条如上图所示的步进链结构。同时在B1，B2。。。Bi细胞之间行成连接，形成一条B1àB2à。。。Bià。。。的兴奋信号传递通路。
步进链结构特性是，当有一个兴奋信号沿着B1àB2à。。。Bià。。。链传递的时候，G1，G2，G3，。。。在物理时间轴上呈现依次兴奋，同时比如在G2兴奋的时候，G1会由兴奋慢慢回到静息态。在这个过程中，如下三个感觉（1）看到G2图象（2）由于类似“视后像现象”的原因，我们可以感觉到好象看到G1（3）压感（时间流逝感）。这三个感觉通过心理学上的感觉捆绑效应，让我们感觉到“看到了一个连续的过程。
这时，我们可以这样解释为什么睁开眼睛的时候，α波（δ波）在波幅上会被拮抗为β波：因为这个时候，按照上面的模型，大脑中此时进行着建立突触连接的活动，而这些活动可能以（1）影响Ca+ ,Na+等各化学物质的水平和空间分布（2）能量消耗 等为干扰介入点扰乱了原来的大脑皮层细胞表现为α波（δ波）的同步活动。严格地说，α波是δ波被扰乱的结果，而β波是进一步的扰乱。而当我们进行思维活动（过程在脑海中重现，过程重体验）的时候，某一物理时刻大脑皮层的某些特定区域（比如G1）的兴奋程度会高于其他区，并且由于G1实际是分散在皮层各个地方的（见五），所以导致从总体上看来，α波被“进一步切碎”为β波。这就为前面“δ波被拮抗成α波β波”的说法提供了一个合理的解释。而且，伴随着这些过程，我们在心理上体验（或重体验）到了一个连续的过程。

五：过程重现模型在感官维上的拓展：
上面提出的步进链模型只是针对视觉，但实际上可以在感官维上的拓展：也就是说，实际上G1区是一个逻辑区，它实际包含几个子区，生理结构上分别分布于视皮层，听区颞横回等，分别存储，视觉，听觉的编码信号。而连接这几个子区的生理结构，很可能和海马回路有则十分密切的关系。所以，按照上面提出的模型，我们就可以体验到一个包括，连续听觉，连续视觉等在内的一个完整的物理世界连续过程。而在做梦或进行思维活动的时候，又会重体验到这一过程。

六：过程重现的动态模型
(1) 对过程重体验过程中的原序不变性的解释：所谓的原序不变性是指：以上面提到的类型为例，外界输入人脑信息的顺序是G1，G2，G3。。。，那么，在大多数情况下，当我们进行过程重体验的时候，各个信息存储区Gi兴奋的先后次序还是按G1，G2，G3的次序。举个例子，我们在大多数情况下梦见在走路的时候，会是向前走而不是象倒带一样后退走。对该现象的解释是：
在人的体内，血液循环的方向是一定的，在大脑皮层中也是如此。这就导致了，在每个血液循环中，总是G1 区域的细胞先获得氧的供给，然后才依次是G2，G3。。。这就导致了，当外界过程信号输入的时候，随着供给氧的先后，先是B1和G1之间形成连接，然后依次形成B2和G2之间的连接，B3和G3之间的连接…逐步形成步进链结构。而在过程重现的时候，随着供给氧的先后，Gi 兴奋的时间先于G(i+1)的概率要大很多，保证了原序的不变性。

(2)我们知道，一个过程存储和一个过程重体验的过程的时间要长于我们的血液循环驱动的δ波周期，那么如果按照上面的模型，过程在存进我们大脑的过程将被切成若干段，实现这若干段的重新连接，即图2中G3到G4的连接,可能依靠另外的机制，也可能依靠如下图的多级步进链结构：

C1，C2…Ci也是一个步进链结构，形成的原理和上面模型中的步进链类似或更加复杂。大脑皮层中经常可以记录到的慢突触后电位（慢的EPSP和IPSP）可能就是多级步进链结构活动的结果。
                          
                           
  
注：文中“压力波”一词严格地应该描述为：“由血循环引起的某一个大脑区域生化环境的周期性变化”，用“压力波”是为描述过程感的时候方便读者理解
http://bbs.i4st.cn/2007/viewthread.php?tid=99