大脑的思维功能

认知计算理论强调“理论”水平上的分析不依赖于“实现”水平，但是对认知过程之计算分析所提供的理论不可能具有唯一性。为了克服这个基本困难，人们越来越注意认知和智力过程的神经基础。于是便兴起认知神经科学（cognitive neuroscience）。认知神经科学强调，认知和智力是大脑的功能，“精神（智力）和大脑关系的问题”是认知研究之基本的和中心的问题。

人类大脑的重量虽然只有一公斤半，但却有极为复杂的结构，分为大脑、小脑和脑干，并表现出多方面的功能。从历史看，关于脑的复杂性，功能认识早于结构认识。

早在1861年法国医生布鲁卡（Pbroca，1824—1880）就注意到脑功能的分区。后来德国神经解剖学家布劳德曼（Korbinian Brodmann，1869—1918）把大脑划分为104个区，每个小区都有更小的结构，它们体现出功能结构原理。到1930年代，由于德国神经外科医生福斯特（O.Foerster，1873—1941）和加拿大蒙特利尔神经研究所的潘菲尔德（W.Penfield，1896—？）系统地电刺激实验研究，大体确定了大脑皮层的基本功能区。美国脑科学家卢里亚（A.R.Luria）区分了脑的三个功能单元，每个单元都有自己的解剖结构系统。第一个功能单元是调解清醒、睡眠、做梦和关注等觉醒状态的单元，它是高度分化的，包括激活唤醒或唤起器官，并且以内部代谢信号、外部信号和心理活动信号补充唤醒器官。第二个功能单元是从事感觉信息的接受、加工和贮存的单元，它位于大脑皮层的后部并可区分为投影区、投影区之上和投影带之间三个区域。第三个功能单元是组织意识活动的单元，它占据脑皮层的前部，分为皮层运动区、皮层前运动区和前额骨区（右图）。高级的脑功能决定于大脑皮层的神经元。

1891年德国解剖学家沃尔德-叶哈茨（Wwaldeyer-Hartz，1836—1921）就提出神经细胞独立的假说，并称之为神经元。西班牙解剖学家卡哈尔（Santiago Ramony Cajal，1852—1934）证实了神经元理论，因此获1906年度诺贝尔医学和生理学奖，1934年出版了一步专门阐述神经元理论的著作《人与脊椎动物神经系统组织学》。神经元已经分化为许多不同的类型，每一类型都与特定的子功能相适应，但它们具有大致相同的以细胞体为中心的基本结构，与其他细胞不同的是它们均有接受和传输电脉冲的功能，但它们也履行与其他动物细胞一样的功能。神经元细胞由细胞体及其延伸的神经突起组成。神经突起即通常所说的“神经纤维”，是细胞体向两个方向的延伸物，区分为轴突和树突。沿细胞体向上延伸像树枝一样的分叉物称之为“树突”，而向下形成的细长物称之为做“轴突”，突起的末端称之为神经末梢。轴突的主干叫做“轴索”，其末端叫做“轴梢”（见左图）。

人的大脑最发达，其表面覆盖物称之为大脑皮层，由于褶皱起伏，其总面积可达0.22平方米。大脑皮层由大约1010神经元构成，这是一个可同银河系中的恒星数相比的数字。神经元轴稍和树突的尖端形成极小的纤维节，称为“突触”。神经元之间的连接就是通过突触接触而实现的。突触之间有两种接触方式，大多数是化学接触，也有电接触。电接触的间隙一般要小于1019米，而化学接触的间隙一般要比电接触间隙大20倍，仍然小于可见光的波长。因为每个神经元有大约104个突触，所以每个神经元与大约104个其他神经元相联系。1950年代，在电子显微镜下观察到突触的结构，突触小体中包含有许多囊，囊中充满了被称为“神经递质”的分子。这些分子是在细胞体内合成的，当电脉冲到达这些突触之一时，它就打开细胞膜中由电压控制其阈门的通道，让钙离子流入。这些离子激发一系列的复杂化学反应，这些化学反应通过促使构成囊的边界的薄膜与作为小体边界的薄膜合并而使得囊中的神经递质脱离小体。一些神经递质便与在突触后细胞膜上与之匹配的感受器相结合，导致该处的离子通道开启。化学突出就是以这样的机制传递电信号（左图）。

突触的结构和功能的发现，其重要性可以与原子和DNA的发现相提并论。因为原子的发现有助于回答物质是什么，DNA的发现有助于理解生命的本质，而突触的发现对于认识脑功能至关重要。假定每个突触有两个状态，那么，人脑中所包含的不同状态总数则为210幂。这个数字大大超过了整个宇宙中的基本粒子（质子和中子）的总数。

人脑的结构可区分为不同的层次：分子、突触、神经元、神经网络、神经回路、投射区、神经系统和中枢神经系统。神经系统不仅能收集和加工有关环境的信息，并激发出与这些信息相呼应的肌肉反应，还能使我们建构外部世界的内部表象，记住往昔的经历，表述关于未来的假设，以根据这些假设行动。即使我们知道了大脑的全部突触、全部递质、全部离子通道和每个神经细胞的全部反应模式，我们还是不一定就能懂得脑是如何工作的。因为单个神经元是不能推理的，它不可能有智力的。就拿视觉来说，辨识某种形象并不单单取决于对视网膜上光感受细胞的物理刺激，也取决于大脑的模式生成和模式识别的机理。一个形象的“结晶”是按一定方式对视觉信号进行处理才完成的。生命和思维的世界的运动和发展带有明显的整体性，有如我们不可能用色谱分析去理解凡高的油画作品中独特色彩产生的美感和不可能仅仅通过个别的音符就能理解肖邦的琴思。

作为一个复杂多极系统，大脑的思维功能只能由各神经元的功能逐机级整合而成。即大脑系统先将各神经元的功能整合为神经网络的功能，再将神经网络的功能整合为神经回路的功能，并最后将它们整合为大脑的思维功能。由于每一层次的功能都是下一层次各子系统所不具有的“突生性质或功能”，因此，思维问题不能用还原论的方法来解决，即不能靠发现单个细胞的结构和物质分子来解决，揭示出能把大量神经元组装成一个功能系统的设计原理，才是问题的实质所在。因此要探索神经元功能整合为其系统功能的整合与转化机制。但是，人们对神经元的认识可以从不同的视角进行，神经科学家侧重探察神经元及其网络的电生理和生物化学特性，心理学家侧重认识其各种心理信息，逻辑学家侧重了解其判断和推理的工程，而计算机科学家则是专注于其计算功能。

围绕着“精神（智力）和大脑关系的问题”，认知神经科学研究各个方面和各层次的一系列最富于挑战性的问题，包括常常被看哲学问题而忽略或忽视的意识问题、空前困难的认知进化问题、牵涉诸多方面的智力模块性问题以及对于理解智力的产生至关重要的知识的先后天问题。

认知神经科学实验包括对大脑损伤病人的行为所进行神经心理学实验以及以认知研究为目的的非人的灵长类的神经生物学和脑损伤的行为相结合的实验。认知科学发展了一些新的实验技术，它门包括脑（认知）成像技术（即能直接“看到”大脑在知觉、言语和思考等方面的认知心理活动的成像技术）、高分辨率的脑电/诱发电（EEG/EP）、功能磁共振成像（FMRI）、正电子发射射线断层照相术（PET）等。

1980年代中期计算机科学中形成的神经计算原理，在一定程度上在认知科学和认知神经科学之间建立起联系。虽然神经计算原理不同于认知科学中物理符号离散计算的原理，但它却是后者的补充与扩展。近年来多数学者认为，应取两类认知计算之所长，使之更好地结合起来。离散物理符号有利于表征描述性知识和进行高层次复杂智能活动的计算，而神经计算有利于感知觉条件不充分或非描述性知识的表征和进行低层次智力活动或内隐认知计算。

就精神和大脑的关系问题而论，机能主义认为重要的不是物质的东西本身，而是物质的东西的组织方式（form）。现代的机能主义——计算的机能主义把精神（心理）和智力的本质看成是通用图灵机的计算，也就是说精神和智力的活动在本质上跟其物质载体大脑及其与之相互作用物理环境没有关系。意识究竟是认知过程的一种特性还是独立于认知过程之外，是否存在着一个分离而又与认知过程交互作用的意识系统，有意识的心理过程与无意识的心理过程是截然有（意识）或无（意识）的关系还是一个有意识与无意识结合程度问题，意识是集中注意过程的结果还是参与信息加工过程之中，这些理论性的问题都有待解决。

20世纪以来的人类关于复杂系统的兴趣和认识，对于理解生命与智力的本质带来了新的启迪。混沌学的研究表明，最初有序的动态系统和非线性系统经过一段时间可转变成混沌状态，还有另外一种反混沌现象，即某些非常无序的系统自发地“结晶”成为高度有序的状态。为了有助于理解不同的网络集中了混沌与反混沌之间的变化，有人提出了一个比拟，把网络的行为特征与物相变化联系起来：有序的网络为固相，混沌网络为气相，处于中间状态的为液相。如果一个有序的网络接近于临界的某一点，就可能轻微地“熔化”冻结部分。这样在混沌与有序

未来的路可能还是十分漫长的，逐步地把心理学、神经科学和哲学等领域的研究成果综合起来，或许我们会更接近意识问题的解决。