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REDUNDANCY REDUCTION AND PATTERN RECOGNITION
冗余度壓縮和模式識別

什么是深邃、美妙而優雅？一個理論之所以簡潔優雅，其中一半的功勞要歸于它以小明大、見微知著的威力。說到此，只有達爾文的自然選擇學說力拔頭籌。自然選擇學說所包含的內容猶如恒河沙數，數不勝數，該理論闡釋了一切與生命相關的事物，包括生命的復雜性、多樣性，甚至包括被精心設計出的錯覺等，這些闡釋都被細化到了微渺之處，而且這些微渺需要進行假定，因為隨機變化的基因通過地質時間而非隨機地存活了下來。在人類認知領域中，從未有過一個理論能像自然選擇學說一樣，可以在如此少的假設中，闡釋出這么多事實。它真是深邃且優雅，其深度之深，直至19世紀末期，人類都未曾探知。另一方面，對某些人而言，自然選擇學說太具破壞性、太奢侈浪費、太殘忍不堪，因此很難與“美妙”二字相提并論。但通常情況下，我相信還是會有人選擇達爾文的學說。那我就先來談談達爾文曾外孫的理論，最后再回過頭來討論達爾文的自然選擇學說。

英國皇家學會會員霍勒斯·巴洛（Horace Barlow）先生是霍勒斯·達爾文爵士（Sir Horace Darwin）最小的外孫，而霍勒斯·達爾文爵士則是查爾斯·達爾文最小的兒子。如今，霍勒斯·巴洛先生雖已有90歲的高齡，但依然是威名赫赫的劍橋神經生物學家。今天我想討論的這個理論是關于冗余度壓縮和模式識別的，巴洛先生在1961年發表的兩篇論文中曾經提及過。因其深遠的影響力和重要性，這個理論在我今生的研究生涯里始終激勵著我。

神經生物學理論中有一個神秘的“祖母神經元”，又名祖母細胞。當某個極為特定的圖像，比如美國神經生物學家杰里·萊特文（Jerry Lettvin）的祖母的頭像出現時，這個或這組細胞就會激活并映射在視網膜上（萊特文與巴洛先生一樣，從事的是青蛙視網膜的研究工作）。問題的實質在于，萊特文祖母的頭像僅僅是由大腦識別出的無數圖像中的一個而已。如果人類擁有一個可供我們識別萬物的特定神經元，不僅僅是萊特文的祖母，而是眾多其他人的臉龐、物體、字母、花朵，并且每一個都能從眾多的角度和距離見到，那我們人類面對的將是一個組合式大爆炸。如果感官識別是依靠“祖母原則”來運行的，那么特定識別的神經元數量，即用于神經脈沖的所有可能組合數量將超過宇宙中原子的數量。美國心理學家弗雷德·艾特尼芙（Fred Attneave）曾經進行過推算，人類的腦容量可以以立方光年為單位來測量。巴洛和艾特尼芙二人各自獨立地提出了運用冗余度壓縮的原理來解釋這個問題。

信息論的創始人克勞德·香農（Claude Shannon）提出，“冗余度”（redundancy）是一種信息的倒置。在英語里，緊隨“q”這個字母的往往是“u”，于是在不丟失信息的情況下，字母“u”完全可以被省略掉。“u”就可以被稱為是冗余的。無論何時冗余出現在一組信息里（這不會是隨機的），人們都完全可以更加簡潔地記錄信息但不丟失信息，雖然在修正錯的誤能力方面會略有缺失。巴洛認為，在感覺傳導路徑的每個階段中，都存在著若干調整機制，以此來清除大量的冗余度。

時間“t”這一點上的世界，與時間“t-1”這一點上的世界并無多大差別。因此，對感官系統而言，沒必要對世界的狀態進行持續不斷的反饋。它們需要的僅僅是“變化”的信號，這種變化能夠讓大腦處于一種假定狀態中，即假定沒有被反饋的事物依舊保持著原來的狀態。感官適應是感覺系統里最著名的一個特征，這個特征正如巴洛先生所指定的那般精準地顯現了出來。舉個例子，如果一個神經元正在標志溫度，并非如人們天真地設想的那樣，即該神經元發射信息的頻率與溫度成正比。截然相反的是，僅僅在溫度出現一個變化時，這個頻率才會得以提升。緊接著，它逐步衰減到一個緩慢的、休眠的頻率。與此相同的還包括標志亮度、響度、壓力等的神經元。通過挖掘世界的時間序列中的非隨機性，感官適應獲得了巨大的經濟效能。

感官適應系統在時間領域里所獲取的，與側抑制（lateral inhibition）固定現象在空間領域里所獲取的完全一樣。假設將生活中的一幕場景放到一個像素化屏幕里，該屏幕就好比是一個數碼相機的后臺或一雙眼睛的視網膜，放眼望去，大多數的像素全都一模一樣。這其中只有落在邊緣和邊界上的像素看上去與眾不同。如果每個視網膜細胞都能夠忠實地向大腦報告其光值，那么大腦將會遭到一條巨量的冗余信息的轟炸。但如果大多數到達大腦的脈沖來源于沿著場景邊緣的像素細胞，那么大腦就獲得了巨大的經濟效能。于是，大腦才能假定邊緣之間的空間能保持均勻性。

正如巴洛先生所說，以上正是側抑制獲得的結果。舉例來說，在青蛙的視網膜上，每一個神經節細胞都源源不斷地向大腦傳輸著信號，在其視網膜表層的特定位置上報告著光的強度。但與此同時，神經節細胞也向其最近的細胞發送著抑制信號。這說明向大腦傳輸強信號的是那些位于邊緣的神經節細胞。與位于邊緣區域的細胞不同，因為受到鄰近細胞的抑制，位于均勻彩色區域的絕大部分神經節細胞向大腦傳輸的脈沖信號少之又少。基于此，信號方面的空間冗余就被消除了。

巴洛學派的分析逐漸延伸成為現代的感官神經生物學，包括1981年的諾貝爾生理學及醫學獎獲得者休伯爾（Hubel）和威塞爾（Wiesel）著名的水平線以及垂直線探測神經元（直線為冗余，從端線重組），以及由杰里·萊特文和其團隊發現的青蛙視網膜中的運動“缺陷”探測。在青蛙的世界里，運動呈現出一種非冗余的變化。但如果始終以相同的速度保持著相同的方向，那么運動也是冗余的。毫無疑問的是，萊特文和他的團隊在青蛙的研究中發現了一個“奇異”的神經元，只有當運動著的物體做出一些意想不到的行為，比如加速、減速或改變方向時，神經元才會輸出信號。這種奇異神經元會被調節，以此過濾掉高階序位的冗余度。

巴洛先生指出，從理論上講，通過對一個特定動物的感官過濾器進行研究，可以證實，冗余度存在于動物世界。它們構成了一種可以使用統計特性來描述的動物世界。這也提醒了我，我剛剛說過我要返回來討論達爾文的進化論。在《解析彩虹》（Unweaving Rainbow）中，我曾指出，一個物種的基因庫是一本“基因的度亡經”（Genetic Book of the Dead）。這本經書根據來自遠祖世界的編碼描述所撰寫，而那些在遠祖世界里的物種基因，則是經歷過地質年代留存至今的。自然選擇其實是一臺標準的計算機，在這個生生不息的世界里，它自始至終都在進行著冗余度，也就是重復模式的檢測，這樣，各類物種才得以留存和傳承；所有物種中，50%是兩性繁殖，另50%則是無性繁殖。試問我們能否把巴洛先生的感官系統神經元理論，運用到對基因庫里自然勝出的基因進行平行分析呢？如果能做到，它就將被稱為深邃、美妙而優雅的科學理論。

注：本文作者理查德·道金斯的《道金斯傳》（全2冊）已由湛廬文化策劃，北京聯合出版公司出版。