神经动力学：概念和事实

原文介绍1引言推动神经科学受到广泛关注的大问题：如何通过脑活动理解认知、知觉和行为？要解决上述问题，光是试验和仿真是不够的，还须要一个概念清晰的理论框架。神经动力学探讨的是神经系统状态和特性的动力学。该文的目的是以神经动力学探讨为例説明：（1）由于概念不清可能造成的错误；（2）把详尽的结果纳入牢靠的概念框架可以产生什么样的效果？1引言（续）将要阐明的几个概念：（1）确定性（determinacy）细分为动力学确定性（determinism）和状态确定性（determinateness）；（2）随机性（Stochasticity）的几个不同方面：可变性（variability）、变差（variation）和误差（error）；（3）因果性（causation或causality）；（4）实体论（ontic）描述和相识论（epistemic）描述神经动力学中各个不同层次的描述从完全随机性到完全确定性之间变更，层次不同描述不同。神经状态和心智（mental）、行为状态之间的相关性2厘清概念：从确定性到随机性状态确定性和动力学确定性个体描述和统计描述实体论描述：依据系统自身的状态和动力学（asitisinitself）相识它们。相识论描述：依据对系统状态和动力学的视察（asitturnsouttobeduetoobservation）来相识它们。2.1状态确定性、误差和变差相识论描述基于视察和度量，因此必定和上下文（context）有关。由此不行能得出特别一般性的基本定律。实体论描述基于系统自身的状态和内在性质，因此和上下文无关，并且适用个体描述。实体论描述和相识论描述的数学表示。实体论状态可以用状态空间中的一个点x来表示，相识论状态可以用Kolmogorov空间上的一个概率测度μ来表示。实体论状态的点动力学可以用x(t)来表示，而相识论状态的集群动力学则可以用μ(x,t)来表示。相识论状态不确定性的缘由：误差和变差误差、变差、方差和可变性。2.2确定性、因果性和预料假如T是状态空间上的一个自变换，那么时间t可以由T的t次幂的单参数群来引进。假如相识论状态的概率度量在变换T之下不变，则系统演化无论前向或反向都是确定性的。假如变换T不行逆，那么时间t可以由T的t次幂的单参数半群来引进。t是物理时间。假如要能区分现在、过去和将来，就必需打破时间平移不变性和时间可逆不变性2.2（续）因果性意味着所涉及的事务之间存在相关性，反之不然。要想从测量所得的相关性中得出因果关系，必需把试验结果放到一个理论框架之中。拉普拉斯确定论麦克斯韦强因果性庞加莱弱因果性2.2（续）有效因果性（efficientcausation）－基于在先事务和在后事务的有序关系之上的缘由－结果关系。形式因果性（formalcausation）－逻辑上的蕴含循环因果性（circularcausation）－局部输出作为局部输入的递归（recurrent）或复馈（reentrant）。这可由引进时间延迟避开。下行因果性（downwardcausation）－多级系统中高级性质影响低级性质Granger因果性（Grangercausation）－假如可以用时间序列A的较早片段预料时间序列B的较迟片段。（可能仅仅是相关）一个概念上的困难：难于用相识论的手段完全预料实体论上是确定性的动力学。2.3概率和随机性粗略地讲，随机性就是除去确定性以后剩下的一切。确定性过程是随机过程的特例2.4用确定性说明随机过程通过随机过程的自然扩展（naturalextension）可以把随机过程归结为确定性过程。其要旨为把不行逆的Markov半群演化扩展为可逆的酉群（unitarygroup）演化这种扩展的实质就是把环境也包括到系统中来，并考虑全部的相互作用。由于确定性动力学和随机动力学可以相互转换，所以这两种描述实行哪一种取决于便利神经动力学探讨的目标之一是解决脑原委是一台确定性机器还是有非确定性联结的随机事务发生器？不能确定神经动力学原委是否是确定性的。2.5实体论和相识论描述的层次结构高层次的相识论描述不仅须要低层次的实体论描述，还须要列出上下文。在某特定描述层次i作为相识论状态和可视察量只有在把低一个层次的实体论状态和可视察量和第i个层次的突现可视察量结合起来才能被重新说明为实体论状态和可视察量。严格的还原论行不通。较高层次的可视察量约束较低层次的行为。受约束的较低层次的运动的时间尺度一般要比较高层次的运动的时间尺度要小实体论描述的相对性。低层次描述只是高层次描述的必要条件而不是充分条件。3神经动力学的层次：从离子通道层次到神经网络层次层次不同，概念框架和数学模型也不同。只依据一个层次的描述，就要从神经动力学得出普遍的结论是危急的。3.1单个神经元的牢靠性和精度离子通道一般实行随机模型整个神经元的描述是状态确定性和动力学确定性的。3.2神经元活动多变性的根源和时间尺度多变性的根源：突触输入＋各种调制性离子通道＋突触上的自发微事务假如由上述各种缘由引起的变更相互独立且在时间尺度上可分，则这些成分可分变更的快慢不确定和层次的凹凸有关。3.3递归皮层网络的困难动力学在体皮层网络的活动表现出高度的不规则性，它很可能是确定性混沌当确定性混沌成分和随机成分难于区分时，实行随机描述是切合实际的，但这并不意味着这个过程本质上就是随机的。3.4神经元集群和脉冲相关性Hebb的神经元集群假设Hebb规则不能由一组成对相关性得出高阶相关性突触前脉冲和突触后脉冲之间的因果关系3.5脑、心智和行为之间的相关脑状态、心智状态和行为状态之间的相互关系是认知神经科学和神经动力学的核心问题这两者之间存在着一对一（还原论）、多对一（充分条件）、一对多（必要条件）和多对多四种可能的相互关系。不要轻易下因果关系的结论！说“脑产生行为”在概念上会产生误导。在不同的层次之间存在双向作用，所以很难讲结果和缘由，最好是找寻层次之间的相关关系。4几点结论相关的事物只有当有理论背景时才能用因果关系来表述。脑状态和心智－行为状态是相关的，但是假如要讲到因果关系要慎重。不同层次的探讨方法可能很不相同。还原论不仅过于简洁，而且是错误的。在考虑层次之间的关系时必需考虑到突现性和下行约束。不能下结论说神经动力学原委是确定性的还是随机性的。不能解除自由意志。某些评述这篇文章提出了和神经动力学有关的一个根本问题。这就是须要一个概念清晰的理论框架来组织试验和仿真结果，从而回答脑状态和心智－行为状态之间的关系问题。这篇文章试图澄清某些概念上的混淆，并提出要区分：实体论描述和相识论描述、确定性和随机性、相关性和因果性。强调相关性不等同于因果性。这的确是脑科学试验探讨中的一个普遍错误，就是混淆现象和功能。脑状态和心智－行为状态之间存在相关性，但是是不是存在因果关系要慎重。认为不能说脑状态就是心智－行为状态的缘由。

确定性和随机性之间没有不行逾越的鸿沟。不能下结论说神经动力学就是确定性的。还原论不对。必需考虑较高层次上的上下文、突现和下行约束。以上几点有参考价值和值得思索，但并不都是作者的独创。该文也没有提出一个理论框架。该文对上述概念的进一步细化，没有得出很有价值的想法，形式化也流于形式。几点思索什么是神经动力学？现在还没有一个公认的神经动力学定义。我的看法：广义地说，神经动力学探讨的是神经系统的动力学，也就是神经系统随时间的变更过程和规律。狭义地说，神经动力学是非线性动力学和神经科学的交叉领域，把神经系统作为非线性动力学系统或者困难系统或者自组织系统来进行探讨。神经动力学探讨的特点是多层次和多学科探讨，理论探讨和试验探讨紧密结合，希望由此把神经科学的大量素材整合在一个理论框架之中。脑科学探讨中的两种哲学还原论观点：高层次的活动可以通过把高层次分解成相互联结的低层次的组分来加以说明。动力学观点：上面的做法不确定能做到，关切的是系统的长期演化问题。可以通个重构吸引子来把握系统的长期行为。还原论者对动力学观点的指责是