生物系统中的相似性：理论神经信息学初探

9.3.2.1　生物体中的相似性

生物体的结构也有相似之处。一个人有一个头、两只手和两只脚，一只手有五个手指，五个手指又分别对应一个头、两只手和两只脚，手臂代表人退化了的尾巴，这其中体现出局部和整体的相似性。斑马身上的条纹也有局部的相似性（见图9.10）。

图9.10　斑马身上条纹的相似性

经络是中医学界经大量实践归纳出来的，虽然没有得到西方医学界的承认。我们不知道人体中是否存在经络，至少现在没有实验证明经络存在。但是针灸确实有一定的临床效果，至少说明这一现象存在。有趣的是，经络理论中的穴位图具有相似性。一只手的穴位可以对应全身各部分的穴位，同样一只耳朵、一只脚、一个鼻子等的穴位也能对应全身各部分。按分形理论分析，穴位也有嵌套和相似性规律。

生物体中具有相似性的原因应该是：生物体是由同一类细胞按同一种规律分裂逐渐长成的。与元胞自动机等相似，同一规律作用的系统内部一定可以找到很多相似性的地方。从这一点出发，中医的经络理论可能也有些道理。

9.3.2.2　大脑皮层中同一性原理

文献［17］指出，大脑皮层的各个区域在外表和结构上惊人相似，主管视觉输入、触觉的区域，控制肌肉的区域，布罗卡语言区以及其他各个区域实际上是完全类似的。文献［17］还暗示说，既然这些区域是相同的，那么大脑皮层完成各种功能所使用的方法应该也是相同的。这句话很重要。也就是说，我们可以从相似性中得到神经系统处理信息的原理。其实我们已经从相似性中看到感受系统处理信息的原理。大脑也是分化的结果，所以皮层结构的相似性应该是可以理解的。

如果文献［17］中的观点是正确的，那么大脑皮层的算法必须独立于其他特殊功能和感觉的算法。大脑是用同样的方式去“看”、去“听”的，大脑皮层的作用具有普遍性，它的信息处理机理适用于任何一种感觉或运动［17］。(www.xing528.com)

9.3.2.3　感受系统在信息处理机理上的同一性原理

眼、耳、鼻在结构上存在很大差异，仔细分析感觉系统的信息处理机理，却可以发现它们有诸多相似性。嗅觉、听觉和视觉系统的对比如图9.11所示。图中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别对应嗅觉、听觉和视觉系统。

图9.11　嗅觉、听觉和视觉系统的相似性

我们已经知道嗅觉的阵列谱和听觉的阵列谱的相似性，当然也可以推想出视觉的阵列谱存在和它们之间的相似性。这样就可画出图9.11。在图9.11中，（a）层表示输入信号，嗅觉的输入信号是气味A，听觉的输入信号是声波f1（t），视觉的输入信号是图像f2（x）（一条直线，反映灰度变化）。（b）层是神经系统中的感受细胞阵列，阵列中每一细胞的输入输出都仅仅反映信号大小的变化，它们的输出可以是脉冲序列，也可以是阈值下的模拟电信号，但最终都变为神经脉冲信号，但是脉冲序列大小的谱也一定按（d）层的规律表现出来。嗅觉中诸多感受细胞中各个细胞本身特性不同，所以对不同气体反应不一。嗅觉对应的（c）层反映不同特性的细胞对同一气体的反应不同，即形成“感受细胞阵列谱”，简称“阵列谱”。（d）层表示对应于（c）层的阵列谱曲线。对于听觉系统，每一感受细胞接受不同的频率信号，（c）层表示响应不同频率的细胞对同一声音有不同反应，这样也可得到类似嗅觉系统的阵列谱，这个谱就是瞬时频率响应谱。在视觉系统中，输入信号是一条灰度变化的直线，会引起一排神经元的兴奋，它对应的（d）层的阵列谱曲线反映一维图形的灰度变化。

在嗅觉系统中，由很多细胞组成的“阵列谱”可以确定气味的各种不同类型。在听觉中，这种“阵列谱”就相当于频谱，而这一频谱随时间变化，就成为语音识别的依据。在视觉系统中，“阵列谱”就是数字图像中的像素阵列，也就是图像。如果这里的“阵列谱”（图像）还随时间变化，则形成活动图像。

图9.11（d）显示的是一维的细胞阵列谱，也可画成二维的细胞阵列谱（嗅觉的嗅感觉层实际上也并不是一维的）。这样原来的一维的细胞阵列谱曲线就变为高低不平的山丘状二维阵列谱，二维视觉的细胞阵列山丘（谱）就是标准的图像。

从图9.11的比较中可以看出，嗅觉、听觉和视觉三者在结构和原理上都有相同之处，不同的是：嗅觉是没有时空结构的，所以最简单；听觉信号有时间结构，所以要加上时间因素；视觉信号有时空结构，所以要加上时间和空间因素。其他感觉，如味觉、触觉等，都可以归并到上述三类结构中。在这里我们并不是分析图9.11中图形的相似性，而是分析各感觉系统功能上的相似性，也可以当作信息处理结构上的相似性。这种相似性本应该称为相似性，但是采用文献［17］中的观点，我们还是称它为“同一性”，特别是现在还有很多人认为神经系统不同部位有不同的编码，所以在此更应该强调脑的同一性。