祖母出现时，亿万神经元中的一个被点亮
2019/12/14 11:26:08 生物流BioStream

     什么是祖母细胞？

     祖母细胞是一种假想中的神经元，最初由波兰的神经科学家Jerzy Konorski在1968年提出。

     当祖母出现时，在一眼望不到边际的亿万神经元里，有一个被点亮，那就是祖母细胞。

    

     祖母细胞假说认为，当特定的概念出现时，“祖母”神经元才会被激活。比如，如果一个神经元负责祖母，当我们看见祖母、听到祖母的声音，回想起祖母的音容笑貌时，这个神经元就会被激活。如果负责祖母的神经元不幸挂了，那我们就认不出祖母了。

     祖母细胞们只对单一的概念或想法负责，一个想法只由一个神经元承载，承载不同想法的神经元之间没有重叠。形象的说，祖母细胞就像电脑的键盘，每一个键只编码一个字母。

    

     祖母细胞就像键盘键，一个细胞只编码一个概念

     Jennifer Aniston神经元

     祖母细胞有另外一个名字，叫Jennifer Aniston 神经元。Jennifer Aniston是一个生于美国加州的著名女演员，她因扮演情景喜剧《老友记》中的Rachel Green而走红。祖母细胞之所以以她命名，是源于加利福尼亚大学的科学家Fried在2005年的一项研究，这项研究是祖母细胞假说最重要的支持证据之一。

     Fried在癫痫病人的大脑上进行了此项研究。

    

     癫痫是大脑神经元突发性异常放电

     癫痫是大脑神经元突发性异常放电，可导致短暂的大脑功能障碍。大部分癫痫可以通过药物控制，但是有些不行。这些病人可以选择切除癫痫灶来控制病情。

     癫痫灶是大脑内癫痫的起始部位。癫痫灶的定位一般会借助一些非侵入式的脑成像手段，比如，核磁共振(MRI)，脑电图(EEG)，脑磁图(MEG)等。如果非侵入手段无法定位癫痫灶，那就需要侵入式的手段来辅助定位。通常，根据定位需求会在病人大脑表面或内部某个位置插入电极，记录大脑某些位置在癫痫起始时的放电情况，以确定癫痫灶。

    

     脑内植入电极以定位癫痫灶

     这给脑科学家们提供许多直接研究人脑的机会，但这些机会可遇而不可求。

     当年科学家Fried凑到8名癫痫病人，这些病人都在内侧颞叶埋有电极。科学家因此可以记录内侧颞叶神经元的放电。内侧颞叶包含海马、内嗅皮层等关键的记忆相关脑区。

     科学家在海马里记录到一个神经元，它只在病人看到Jerzy Konorski的信息时才放电，而看到其他演员或者景物时不反应。Jerzy Konorski神经元因此得名。

     除了Jerzy Konorski神经元，科学家还在病人的内侧颞叶发现了Halle Berry神经元(Halle Berry也是一名著名的美国女演员)，悉尼歌剧院神经元等等。

     这些神经元的性质既复杂又单一，复杂的是它对特定人物如Halle Berry的侧脸、正脸、线条抽象画、甚至名字都有强烈反应。单一的是它只对Halle Berry的信息反应，对其他人或物不反应。

    

     Halle Berry细胞只对Halle Berry的信息反应(阴影部分)

     这是祖母细胞假说的一个强有力证据。除此之外，另一个类似的研究也发现，癫痫病人的内侧颞叶有的神经元只对克林顿的头像反应，而不对其他47个名男人头像反应。

     但这些实验只能说给祖母细胞提供了证据，并不能证明大脑内真的存在祖母细胞，因为科学家并没有遍历病人所有认识的人。也许，Jerzy Konorski神经元不止对Jerzy Konorski反应，还对章子怡、巩俐有反应，只是科学家没有用章子怡和巩俐的信息测试而已。而且，这些实验也不能证明对Jerzy Konorski反应的神经元只有一个，也许有十个八个，只不过科学家没有记录到而已。

     面部识别领域的祖母细胞

     只对人脸反应的神经元集中在下颞叶(IT，inferior temporal cortex)。下颞叶不同于海马，它属于视觉通路，只对视觉刺激有反应，对听觉、文字的含义等其他信息不反应。

    

     猕猴的下颞叶(IT，粉红色部分)

     在面部识别领域，祖母细胞假说是指一个神经元只负责处理一个特定人的面部信息。比如，祖母细胞只对祖母的头像反应，不管是祖母的正面、侧面还是背面，还是抽象画、素描画，只要是祖母的脸，都会激活该神经元。当然也有父亲细胞，母亲细胞......

    

     一个神经元编码一个人的脸

     祖母细胞假说有一些实验证据。在猕猴，下颞叶里只对面部起反应神经元集中的区域称为“face patch”。猕猴的face patch中，有一个叫AM的区域，这个区域内的神经元会被特定的人脸激活，而其他的人脸无法激活。并且，不管这张人脸以什么角度、位置、大小呈现，都会激活该神经元。

    

     猕猴大脑的下颞叶和face patch(侧面观)

     但是，一朵乌云隐藏在祖母假说光环的背后。

     虽然面部细胞只对特定的面部有反应，但特定的面部不是一个，而是几个。更意想不到的是，这几张脸差异很大。如果这几张脸是父亲儿子兄弟的关系，祖母细胞假说还能解释下去，毕竟他们长得相似。偏偏这几张人脸似乎没有相似的地方。

     这就棘手了。祖母细胞假说在人脸识别领域陷入了不可调和的困境。

    

     其实祖母细胞假说本身也有缺陷。如果大脑真的是以这种方式编码信息的话，能编码的事物是极其有限的。假如一个脑区有一亿个神经元，那么它最多只能编码一亿个事物。但我们生活中要分辨的人、物、场景、时间等因素的组合，数量要远远多于大脑神经元的数目。这是祖母细胞假说无能为力的地方。

     总结

     祖母细胞理论虽然很科幻、引人入胜，但理论本身有缺陷。并且，在面部识别领域，祖母细胞无法解释面部识别细胞的性质。因此，大多数科学家对祖母细胞假说一直持怀疑态度。针对祖母细胞假说，科学家提出了分布编码的理论。顾名思义，这种假说认为信息不是保存在一个神经元里，而是分布在神经元群体当中。接下来的文章会有更详细的介绍。

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