Proposing an Artificial Neural Networks-based Model to Simulate Human Visual Cortex

想象一下你的大脑是一台终极、超级先进的计算机，但它不是由硅片和电线构成的，而是由数十亿个被称为“神经元”的微小、活性的细胞组成的。这些神经元就像是彼此交谈的小型信使，利用电火花和化学信号进行沟通。长期以来，科学家们一直试图建造能够像我们一样思考的人工计算机，即“人工神经网络”。你可以将它们视为我们大脑布线的数字克隆。通常，我们使用这些数字克隆来完成酷炫的任务，比如识别照片中的面部或帮助自动驾驶汽车识别道路。但这项研究提出了一个更具好奇心的不同问题：如果我们反转剧本呢？与其仅仅使用计算机来完成某项工作，不如用计算机来理解“我们”本身。具体来说，我们的大脑究竟是如何观察世界的，如何记忆世界的，以及有时又是如何被信息淹没的？通过构建一个人类视觉中枢的数字模型，科学家们希望窥探人类感知的幕后，理解为什么我们会以那样的方式记忆事物，以及为什么某些情况（如偏头痛）会让世界变得异常刺眼。

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数字大脑：关于视觉、记忆与偏头痛的故事

在这项研究中，研究员西纳·萨达蒂（Sina Saadati）提出了一种构建人类视觉皮层“数字孪生体”的方法——视觉皮层是负责将眼睛接收到的光线转化为你所看到的图像的部分。其目标不仅仅是制造一个更好的照相机，而是要模拟大脑如何“感受”并“记住”它所看到的东西。论文指出，通过使用特定类型的计算机网络，我们可以重建大脑处理图像的方式、大脑在偏头痛期间如何发生紊乱，以及一首歌如何突然唤醒一整段记忆。

第一部分：大脑的照相机与“后像”技巧

首先，该论文构建了一个使用被称为**卷积神经网络（CNN）**的模型。你可以将 CNN 想象成一支由层层递进的小型专业侦探组成的团队。第一层观察简单的东西，如边缘和颜色（就像一个像素）。下一层观察这些边缘并判断：“嘿，这看起来像一条曲线！”再下一层可能会说：“这条曲线是一个脸的一部分！”这就是大脑如何从零开始，逐层构建出一幅图像的过程。

研究人员使用这个数字团队来模拟我们如何存储记忆。他们发现，当模型“凝视”一张图像一段时间（在计算机术言语中意味着对其进行训练）时，它会改变其内部设置。如果你随后向它展示一张完全不同的新图片，旧的记忆仍然会“泄漏”出来。这就像盯着明亮的灯光看了一会儿，然后闭上眼睛；你仍会在瞬间看到光的形状。模拟表明，我们的大脑也是以同样的方式工作的：注视某物会改变我们大脑细胞的物理结构（在模型中，这通过改变“权重”或连接的重要性来体现），这就是为什么即使在物体不在场时，我们仍能回忆起图像。论文还指出，如果你盯着新事物看足够长的时间，旧的记忆就会消退，并被新的记忆取代，就像我们的情绪和记忆随时间推移而变化一样。

第二部分：当大脑的警报响起（偏头痛）

接下来，论文提出了一个问题：当大脑运作异常时会发生什么？研究人员决定模拟一次偏头痛发作。在现实生活中，偏头痛患者经常遭受“畏光症”之苦，即对光线极度敏感。一个小灯泡或手机屏幕都可能感觉像是一道致盲的聚光灯。

为了模拟这一点，研究人员调整了他们的数字大脑。他们增加了神经元的“敏感度”，在计算机模型中，这意味着调高了细胞之间连接的“音量”。在真实的大脑中，这是由于谷氨酸盐（glutamate）释放量增加引起的，使得神经元更容易放电。

结果非常引人入胜。当模型处于“正常”状态时，一个带有小笔记本电脑屏幕的暗室看起来是黑暗的。但当模型被设置为“偏头痛模式”时，同一个微小的屏幕却让整个数字大脑亮如正午的烈日。模拟显示，即使是微弱的信号也会被放大成痛苦且令人难以承受的闪光。作者认为该模型是可靠的，因为它符合偏头痛患者的真实报告——这些人表示，即使是墙上的光影反射也会让他们感觉眼睛被抓挠。这项数字实验有助于解释痛苦产生的原因：大脑的报警系统只是被调得太高了。

第三部分：歌曲的力量（视听记忆）

最后，论文探讨了我们如何混合不同的感官来记忆事物。你是否曾听过一首歌，突然间就记起了你在哪里、和谁在一起，以及那个房间是什么样子的？研究人员想要看看他们能否模拟这种现象。

他们在模型中加入了第二个系统，称为霍普菲尔德网络（Hopfield Network）。你可以将其想象为大脑的“长期存储”或一个万物互联的巨大网络。在这个网络中，视觉记忆（图像）和听觉记忆（歌曲）是紧密相连的。

实验过程如下：

1. 模型在“听”特定音乐序列的同时，“观看”一个场景（如人脸或树木）。
2. 它将这种结合的体验存储在霍普菲尔德网络中。
3. 然后，研究人员从记忆中删除了图像，只给模型音乐。
4. 结果： 模型仅凭音乐就成功地“重建”了图像！

在 37 次不同的实验中，该模型能够以惊人的准确度回忆出视觉细节。平均而言，它能还原图像 98.35% 的内容。例如，如果模型听到了与戴墨镜的人脸相关的音乐，它仅凭旋律就能将墨镜的轮廓“画”回来。论文表明，这证明了我们的大脑并不是分别存储视觉和听觉，而是将它们编织在一起，形成了一幅丰富多彩的记忆织锦。

这切合实际的意义

这项研究并不声称已经制造出了真正的人类大脑，也没有解决意识之谜。相反，它表明通过使用这些特定的计算机模型，我们可以创造一种可靠的方式来模拟视觉皮层的工作方式。它表明：

• 记忆是物理性的： 注视某物会改变大脑的结构，这就是我们之所以能记住它的原因。
• 偏头痛是放大问题： 疼痛源于神经元变得过于敏感，将微光变成了致盲的闪光。
• 感官是相连的： 一首歌可以触发视觉记忆，因为大脑将它们作为一个连接的整体包进行存储。

作者谨慎地指出，虽然这些模拟符合现实世界的报告和心理学原理，但它们仍然只是模型。它们是理解大脑的强大工具，但它们是地图，而非疆域本身。未来的工作可能需要添加更多细节，例如触觉或痛觉信号如何融入这一图景，或者激素如何改变大脑处理这些信号的方式。但就目前而言，这段进入视觉皮层的数字旅程，为我们提供了一个更清晰、更生动的视角，去理解我们是如何观察、记忆并感受这个世界的。