機器學習與腦機介面的願景

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之前幾篇文章稍微提到了計算神經科學想要以數學的方法，計算出神經生物上詳細的模型，好的模型還可以在拿回電腦科學領域，尤其是人工智慧的問題上面，作為解決的方法。至於現在的機器學習方法，為甚麼我覺得不夠用呢？我主要是覺得困難在三個地方：特徵 (feature) 的擷取，參數 (parameter) 調整過程中需要人的參與，以及文字意義 (meaning)學習上可能會有困難。以下就這三個部分來做個討論，順便討論計算神經目前能夠解決的部分，和未來有可能達成的目標 (人機介面: Brain-Computer Interface)。
首先先和各位談談二項式係數。不知道各位是否有學過多項式呢？如果不知道二項式係數，可以先看看下面這個巴斯卡三角形：

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離子通道和動作電位: 神經細胞的微觀之旅

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在〈神經元和動作電位〉和〈動作電位白話文篇〉裡面和各位提到了動作電位，英文是Action Potential，是我們神經細胞裡面訊號的基本單位。今天要和各位重新拜訪一下神經細胞和動作電位的原理，並且想像我們有如奈米機器人一般，進到大腦裡面，在微觀的世界裡面觀看神經細胞，看看動作電位 (Action Potential) 如何產生，訊息如何在不同的神經元 (neuron) 裡面傳遞。經過這一趟微觀世界之旅，相信我們又可以對自己的神經系統有一番不同的了解！

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粒線體: 細胞的發電機

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在《體溫發電機》一篇文章裡面提到了用體溫來發電的技術。然而天下沒有白吃的午餐，如果沒有作功，一顆球會往低處動，水會往低處流，肌肉不會無緣無故收縮把東西提起來。想要克服往能量低的地方走，就要給予能量才能夠讓球往高處移動，水從有插電的抽水機才能抽到高處的水塔，肌肉有能量才能產生位移造成肌肉收縮，讓東西可以被抬起來。即使是體溫，也是消耗能量才會有。
人體的能量來源，就是我們每天吃飯攝取的養分，消化吸收以後成為細胞的能量。然而，細胞沒有嘴巴，要怎麼吃飯呢？細胞消耗甚麼東西得到能量呢？消耗的東西又要怎樣子產生呢？今天就要和各位介紹在細胞的世界裡面，消耗的東西 (ATP)，以及把養分轉換成細胞能量來源的胞器–粒線體 (mitochondion)。希望大家讀完這一篇，對於細胞世界如何運轉有更近一步的了解！

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Deja Vu: 似曾相識

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《時空線索》這部電影描寫一個人可以看到未來，英文片名為 “Deja Vu”。Deja Vu就是描述這種對未來的事情感覺有點熟悉，有種似曾相識的這一種感覺。Deja Vu原本是法文的辭彙，是由一位法國的心理精神研究者Émile Boirac在他書中第一次提出這種現象的研究，因此用法文稱呼這種現象為Deja Vu。Deja Vu有可以分為三種：似曾活過、似曾感覺過、似曾拜訪過。

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Conway: Game of Life

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這篇文章的標題翻譯成中文是：「康威：生命遊戲」。康威(John Horton Conway)是一位劍橋的數學家，生命遊戲是他在1970年發明的小遊戲。這個遊戲是一個模擬遊戲，首先有一個長方形棋盤，裡面劃分成許多小格子。每一個可以是活的細胞或死的細胞。每一步棋盤的狀態可以影響下一步的狀態，規則是：

如果某一格細胞在時間 t 是活著的話，那麼在時間 t+1 的時候

如果這格細胞只有一個鄰居或沒有鄰居活著的話，就死去 (因為孤獨)
如果這格細胞有四個或更多鄰居活著的話，就死去 (因為擁擠)
如果這格細胞剛好只有兩個或三個鄰居，則繼續活著

如果某一格細胞在時間 t 是死的話，那麼在時間 t+1 的時候

如果這格細胞剛好有三個鄰居的話，就活起來

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視覺交響曲第三樂章: V1

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在〈靈魂的紗窗：走訪人類的視網膜〉裡面我們提到了人類的視網膜，在〈視覺交響曲第二樂章: LGN〉裡面我們提到了視覺路經的中間站LGN(Lateral Geniculate Nucleus)。讓我們先稍微回想一下之前提到的內容吧！首先提到了視網膜，總共可以分為10層，如果大略分層的話可以分成三大部分：感光細胞、中間橫向整合層、以及神經結和離開眼球的視神經。我們提到了感光細胞其最後才碰到光，因為整個視網膜的分層是從靠近頭腦裡面數出來的，最裡面是感光細胞，最先碰到光的反而是神經結(ganglion cell)細胞。感光細胞又分為兩種：桿狀細胞和錐狀細胞(rod cell and cone cell)，桿狀細胞不分辨顏色，負責夜間視覺，處理「大約」的形狀，錐狀細胞分辨顏色，可依照顏色再分為不同種類的錐狀細胞，負責比較「細緻」的視覺訊號，處理日間視覺。視神經離開眼球的地方會產生盲點。中間層則是整合不同地方的感光細胞的訊號，在視網膜就先做了一些訊號的前置處理(preprocessing)。
視神經離開了眼球之後，會先在Optic Chiasm交錯，讓左右眼的左視野訊號都到右腦，左右眼的右視野訊號都到左腦。接著會分別經過左右腦的LGN。LGN在Thalamus(丘腦)的後端，可以分為六層，分別接受1個M channel和2個P channel，所謂M channel就是從視網膜的M神經結傳過來的訊號，比較屬於移動和大概的訊號，P channel就是從視網膜裡面P神經結傳過來的訊號，處理比較小和細緻的訊號。
下面這張圖包含了整個視覺路徑的過程，一張是俯視圖，另外一張是側視圖。

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視覺交響曲第二樂章: LGN

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在〈靈魂的紗窗：走訪人類的視網膜〉裡，我們提到了人類的視網膜構造，總共可以分為10層，從光的感受體，到中間的中介神經元，到最後的神經結和穿越眼球出去的視神經。這10層的構造，等於是先把感受到的光作一些前置處理(preprocessing)，譬如說錐狀細胞和桿狀細胞對顏色的區別能力就不同，才能夠在不同的感光環境中的適應。然而這些都只是前置作業，當視神經從視網膜離開眼球之後，到了哪邊，又是怎樣子轉換了訊號呢？且看這一篇的分享，只需要5到10分鐘的白話文閱讀，你對人類視覺的架構，又可以有新的認識與發現囉！
首先，要從上回的視網膜說起。人類有左右兩眼，每個眼球的視網膜可以大約分成兩個視區，也就是左視野和右視野。左視野和右視野接受到的光線，會沿著不同條的視神經離開眼球。最大的轉變，第一個是在Optic Chiasm的地方發生，各位可以看下圖，橘色的部分代表每一個眼球接收右視野的地方，藍色的部分代表每一顆眼球接收左視野的地方。我們沿著線條往下走，會發現在Optic Chiasm的地方，有了交錯。哪些東西交錯呢？是右眼的右視野從右邊交錯到左邊，左眼的左視野交錯到右邊。

為甚麼會有這種交錯呢？原因可能是因為原本每顆眼球，都有左視野和右視野的訊號。經過了Optic Chiasm這個地方，右視野(不管是左眼來的訊號還是右眼來的訊號)都會交給大腦的左半球來處理，左視野(不管是左眼來的還是右眼來的訊號)都會交給大腦的右半球來處理。這也就是為甚麼有些裂腦(split brain)的病人 ，在進行左右視野的實驗的時候，會有些奇特的情形，像是出現在左視野的字，看得到也寫的出這個字來，嘴巴卻說不出來這個字等等(因為Broca’s area負責講話功能，但是只出現在左大腦)。各位要注意一下，交錯之後，右視野到左大腦，左視野到右大腦喔！

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達賴喇嘛出席史丹佛大學神經科學座談會

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在2005年11月初，史丹佛大學神經科學系邀請達賴喇嘛(Dalai Lama)參與一場神經科學的座談會。這場座談會主要是想探討大腦(brain)和心靈(mind)的關聯，並且希望透過神經科學和佛教兩個領域的對話，讓科學和人文能夠彼此交流，激盪出這個難題的解答。
點擊此處收聽第一場：渴望
點擊此處收聽第二場：受苦
這場座談會主要環繞在兩個主題：渴望與受苦(Craving and Suffering)，由這兩個主題作為腦與心靈這個問題的切入點(Brain and Mind)。第一場由史丹佛的神經科學系系主任William Mobley作開場白，首先提到佛教主張經由默想(meditation)的方式，來追求問題的解答，而神經科學則是主張用實驗方法和各種科學儀器，從數據中得到問題的解答。然而兩者有一個共同的交集：兩者都接受經驗主義(Empirical Method)，也就是說，後天的經驗感受，可以改變之前的假設，譬如說我們一開始可能接受身體和靈魂、大腦和心靈，是兩個不同的東西。但是經由後天的經驗(默想後的啟發、辯論後的結論、實驗後的結果)，我們願意更改先前的假設，接受新的解答。

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動作電位白話文篇

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上次「神經元與動作電位」文章裡面可能專有名詞多了一些，讓各位不是很容易就能吸收，因此我在這邊嚐試著用比較淺顯易懂的比喻方式，解說一下甚麼是動作電位了！
首先我們可以想像我們每個人是一個神經元，我們從別的人身上面讀取訊號，然後也會把自己的訊號傳給別人。我們長長的手臂，就像是神經元的「軸突」一樣，負責把訊號從自己身上傳出去。我們的頭髮有點像是「樹突」，像一根根的樹枝一樣，負責接收別人傳來的訊息。神經元之間聯繫的方式，是軸突搭在另一個神經元的細胞表面，或是搭在樹突上面，就有如我們的手放在別人的頭髮裡面，準備把訊息傳給別人，別人再用頭髮接收訊息。

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神經元和動作電位

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從爬蟲類到人類，不管是簡單的或複雜的神經系統，都讓動物具有快速傳遞訊息能能力，使得我們無論是知覺或是運動，可以立即反應，而不是等待一陣子以後才反應過來。我們的神經系統包含了神經元和他們之間的連結，大致上可以分成中央神經系統 (CNS: Central Nerve System)和周邊神經系統 (PNS: Peripheral Nerve System)。中央神經系統包含了大腦和脊椎神經，其他地方就是周邊神經系統了。每一個神經細胞都可以產生動作電位(Action potential)，將刺激從某個神經細胞傳給下一個神經細胞，達成傳遞訊息的任務。下圖是一個神經細胞的示意圖：

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