神经信息编码准则：理论初探

神经信息编码已经被提出很多年了，对此人们也进行了许多实验，现在可以进行总结归纳。由于神经系统确实很复杂，神经编码理论有很多，所以我们需要一个客观衡量标准来判断究竟哪一种理论更接近真实编码。为此，需要考虑一些必要条件，只有这样才能去伪存真、少走弯路，揭示真正的神经信息编码。

文献［11］提出了检验神经编码的4 个条件，很值得思考。既然动作电位的基本性质是脑科学家公认的事实，现在就以神经脉冲序列为例来讨论这4 个条件。

1.外界信号能在神经编码中表达

正如劳伦特指出的，研究神经编码必须回答的一个问题是，信息如何在神经系统中表达？人的所有感觉器官都可以感受外界的物理和化学刺激，而这些刺激都应该在神经系统内得到反映。这种反映就是用神经编码来表达的。神经脉冲序列要成为神经脉冲编码，则神经脉冲序列的一个子集应该能与外界信号建立对应关系。证明频率编码的正确性就是靠这一条。因此频率编码假设还被称为同构编码假说。

2.神经编码必须具有可排序性，而且是高分辨率的排序

假设我们要把所有在神经系统中可能出现的神经脉冲序列（除噪声脉冲序列信号外）集合起来构成一个神经脉冲序列空间（或称集合）Ω。现在的问题是：Ω 是一个有序空间吗？所有的感觉器官所感受的刺激（如声、光、气味等）信号都有一个最基本的特性——有序性，如声音有强弱之分，光有明暗之分，气味有浓淡之分。如果要建立外界信息与神经脉冲序列空间的对应关系，那么起码神经脉冲序列空间Ω 也必须具有可排序性。

姚明要准确投篮，必须定量控制手臂；人的眼睛要注意远处目标的移动，就要定量控制眼球的转动：这说明神经系统的输出信号也是有序信号。脑的输入和输出信号都是有序的，那么中间信号也应该是有序信号。

文献［12］的实验证明了这一点，可以说该文献中的实验是目前世界上最精确的神经信息生物学实验之一。

综合上述分析，Ω 空间中的“元”应该有大小之分，即Ω 空间是有序空间。我们在第1 章中已经说明神经系统的编码不仅具有可排序性，而且具有极高的分辨率。脑内神经系统如果失去了序，眼睛就分不清明暗，又如何能看到图像？如果分不清音调高低和音量强弱，如何区分语音？应该说，Ω 空间如果失去了序，就会失去所有的信息。(www.xing528.com)

3.神经脉冲序列空间Ω 内存在变换或运算的性质

神经系统能实现信息处理这一点是广泛被接受的事实。信息处理（这里暂不讨论意识等高层次信息处理）的实质是变换和运算。Ω 空间要成为信息编码空间，就必须具有这一特征。根据代数理论，有些元的集合可以组成一个群，如重正化群（renormalization group）、伽罗瓦群（galois group）等，有些集合可以构成一个环，如整数环（ring of integers）等，有些集合可构成代数，如布尔代数（Boolean algebra）、李代数（Lie algebra）等。那么Ω 空间能构成什么样的运算或映射体系？

4.满足不稳定性和不确定性要求

脑是不稳定和不确定的系统，因此一般不可能由一个确定性的编码来描述神经信息。即使能找到确定性编码，也还需要说明它是如何描述不确定的脑中的神经信息的。

任何人都可以提出各自的神经信息编码假设，但是若假设不满足上述4个条件，便不能随便称是神经信息编码假设。尽管像脑电图（EEG）之类的信号中包含“信息”，EEG 是脑机接口研究中通信的主要载体，但是到目前为止还没有发现EEG 信号空间符合上述4 个条件。因此，EEG 所构成的集合空间还不能称为神经编码空间。

以上所提到的4 个条件，即使不完整（可能还需要逐渐发展完善），却也是必须考虑的。在研究神经信息学的过程中应该经常考虑它们。只有按这样的思路进行，神经信息编码研究才能逐渐走向理性。只有对这些问题不断考虑，我们才能少走弯路。

第四个条件看来好像与编码无关，其实却是最关键的，第四个条件的核心是对不稳定和不确定的“观念问题”在不同观念下可得出不同编码。如果不能在这一观念问题上有所突破，就不可能得到满足第四个条件的神经编码。S 空间应该是在不确定性方面的一个突破，若它能用于神经信息分析，它也将会使神经信息研究有所突破。