达尔文采用对赖尔的观点进行类比的方法解释了物种特征随时间推进的渐变，并由此入手解决物种间基本规律的问题。在著名的《乘小猎犬号环球航行》（Voyage of the Beagle）一书中，他将这种观点融入自己的思想实验和观察当中。达尔文提出，最容易在自己的生态位中存活下来的个体是那些可以繁衍下一代的个体。
1859年11月22日，达尔文的《物种起源》一书开始发售，这本书奠定了生物进化论的基础。他在书中明确表示自己受到赖尔的影响。
我明白，由上述虚构事例例证的自然选择学说，肯定会像查尔斯 · 赖尔先生的高见——“地球如今的变化就是一部地质史”最初提出时一样，引来许多不赞同的声音。不过，如今人们已经普遍认识到，水流在大峡谷以及狭长的内陆悬崖峭壁的形成过程中发挥了重要的作用。同样，自然选择也是一个积少成多的过程，只有通过不断选择有利的细微改变并进行保存和积累才能实现。既然现代地质学已经基本摒弃了大峡谷由单一洪积波开凿而成之类的观点，自然选择也应如此。如果这种观点是正确的，那就应该摒弃新生物持续再生，以及生物结构突发重大转变的理念。
新观点最初提出时备受抵制的原因可能多种多样，但就达尔文的情况而言，原因却很明显。人类并非上帝创造的，而是猴子进化而来，之前则是蠕虫——许多评论家都接受不了这种说法。更何况，这暗示着宠物狗、毛毛虫、毛毛虫爬过的植物都和人类沾亲带故。虽然可能只是极其远房的亲戚，但还是亲戚啊！所以，人类的神圣性被亵渎了，人类又怎会心甘情愿地屈尊降贵呢？
但这一观点还是迅速传播开来，因为它将众多以往看似互不相干的现象联系了起来。1872年，《物种起源》第6版出版，达尔文在书中添加了这样一段文字：“作为对事情最初状况的记录，我保留了以上内容……其中有几句话暗示着博物学家们以前一直相信物种是独立创造出来的，我则因为提出了进化论的观点而受到颇多非难。毫无疑问，本书第1版出版时，人们普遍接受的是前一个观点，而无法接受我的观点……不过，今非昔比，现在进化论已经得到了博物学家们的普遍认可。”
在接下来的一个世纪里，达尔文的想法得到越来越多的支持。1869年，《物种起源》第1版出版后仅10年，瑞士医学家弗雷德里希·米歇尔（Friedrich Mie-scher）就在细胞核中发现了一种被他命名为“核素”的物质，实际上就是DNA。1927年，生物学家尼古拉·科利佐夫（Nikolai Koltsov）对被他称为“大遗传分子”的物质进行了描述，他说它由两条对称链组成，以一条链为模板按半保守方式进行复制。科利佐夫的发现也受到诸多指责。有人认为这是为法西斯做宣传，他的意外死亡也被认为是苏联的秘密警察所为。
1953年，达尔文这部影响深远的著作出版将近一个世纪之后，美国生物学家詹姆斯·沃森和英国生物学家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）第一次对DNA的结构进行了精确描述，即一个由两个长分子缠绕而成的双螺旋结构。值得一提的是，他们的发现建立在著名的“照片51”的基础上，该照片是他们的同事罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin，见图1—2）利用X射线结晶学拍摄而成，这是人们第一次得到展现出双螺旋结构的图示。鉴于这些发现得益于富兰克林拍摄的照片，有人认为富兰克林应与沃森和克里克共同分享诺贝尔奖。
随着能编码生物学程序的分子被曝光，统一的生物学理论得以确立。它为所有生命确立了一个简单而高贵的基础。仅仅根据细胞核中组成DNA链的碱基对（从更低的层面来说，线粒体），就能判断有机体可能成长为一株草还是一个人。这一见解与人们乐见的自然界的多样性并不矛盾，但我们现在知道自然界的纷繁多样是由这个无处不在的分子编码成各种各样的结构所致。
思想实验2：驾乘光束
20世纪初期，物理学领域被另外一系列思想实验所颠覆。1879年，一个男孩出生在德国的一个家庭中，他的父亲是工程师，母亲是家庭主妇。据说，他3岁才开始说话，9岁时被学校认为存在学习障碍，16岁时，他就开始幻想着驾乘月光。
这个年轻人当时在思考英国数学家托马斯·杨（Thomas Young）1803年所做的实验，那个实验证实了光由波组成。那时的推论是光波必须借由某种介质传播。毕竟，水波借助水传播，声波借助空气或其他物质传播。科学家称光波传播的介质为“以太”。那个男孩也在思考1887年美国科学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫利（Edward Morley）所做的实验，该实验试图借助小船在河流中顺流和逆流而行的类比证明“以太”的存在。如果你恒速划桨行进，顺流而行时，从岸上观测的速度会较逆流而行更快。迈克尔逊和莫利假定光会在“以太”中匀速前进（即以光速运动），他们推断地球沿其轨道朝太阳运动时（从地球上的有利位置观测）与地球朝远离太阳方向运动时阳光运动的速度会不同（甚至可以达到地球运动速度的两倍） 。这一点一旦得到证实，就能证明以太的存在。然而他们发现，不管地球处于轨道上的哪个位置，阳光向地球运动的速度都不变。他们的发现否定了“以太”存在的观点。那真实的情况究竟是怎样的呢？此后20年中，这一直是一个谜。
这个德国男孩则幻想与光束同游，他认为他应该能看到光束冻住，就像与火车保持同速前进时，火车看似静止一般。不过，他意识到这不可能，因为不管你如何运动，光速都被视为恒定。所以，他幻想着以稍微慢些的速度与光束同游。如果以光速的90%的速度运动会怎样呢？如果光束像火车那样，他推论他会看到光束在他前面以10%的光速运动。实际上，那就是地球上的观测者将看到的一幕。但我们知道迈克尔逊—莫利的实验表明光速恒定。因此，他应该看到光束在他前面全速前进。这似乎产生了矛盾——怎么可能呢？
到这个德国男孩26岁时，答案似乎是显而易见的了。顺便提一下，男孩的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦。显然，时间为青年大师爱因斯坦变慢了。爱因斯坦在1905年发表的论文中对他的推理过程进行了阐释。如果地球上的观测者看到男孩的手表，就会发现它的转速慢了9/10。实际上，当他返回地球时，他的手表会显示只过了1/10的时间（暂时不考虑加速和减速）。然而，从他的角度来看，他的手表却是正常运转，旁边的光束也是以光速运动。时间的速度会自行减慢9/10（相对于地球的时间）就可以解释看似存在矛盾的分歧了。在极端的情况下，当速度达到光速，时间就会减慢到接近于零，因此，想与光束并驾齐驱是不可能的。不过，尽管不可能以光速运动，但理论上来说，速度超越光束并非不可能，到那时，时间就会倒退。
这个解释在许多早期评论家看来十分荒诞。时间怎么会因为某人运动的速度而自行减慢呢？实际上，18年来（从迈克尔森—莫利的实验开始），对爱因斯坦来说显而易见的论断，其他研究者却无法得出。他们中许多人对于这个问题的思考贯穿了整个19世纪下半叶，他们选择信奉预先形成的现实运作观，而不是这一原理的启示，实质上就是“摔落马背”了——也许我应该说他们“摔落光束”了。
爱因斯坦第二次思想实验是想象自己和兄弟一起飞越时空。他们相距186000英里。爱因斯坦想在保持彼此距离不变的情况下加速前进，于是用手电筒给兄弟发送信号。他知道信号传送时间为一秒钟，于是他会在发出信号一秒钟之后再开始加速。而他的兄弟接收到信号就立即加速。这样，两兄弟恰好同时加速，因此能保持相互间距离不变。
但是想想，如果我们在地球上，看到的情况会怎样呢？如果两兄弟正向背离我们的方向运动（阿尔伯特领先），看上去就会是光抵近他兄弟的时间不足一秒，因为他在向光运动。同样，我们也会看到他兄弟的计时器变慢（由于他加速时离我们更近些）。鉴于所有这些原因，我们将看到两兄弟越靠越近，并最终相撞。然而，在两兄弟看来，他们始终保持着186000英里的距离不变。
怎么会这样？答案显然就是距离与运动平行，而不是垂直。于是，随着他们加速前进，爱因斯坦兄弟越靠越近（假定他们头朝前飞行）。也许，这个怪诞的结论比时间流逝的差异更不能让人信服。
同一年，爱因斯坦又用另一个思想实验思考了物质与能量的关系。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在19世纪50年代证明了被称为光子的光微粒虽然不具备质量但仍具备动量。孩童时，他有一个名为克鲁克斯辐射计（Crookes radiometer，见图1—3）的装置，该装置由一个密封玻璃球茎组成，其内部包含部分真空和绕轴旋转的4个叶片。叶片一面白，一面黑。每个叶片的白色面反射光，黑色面吸收光。（这就是为什么热天穿白色T恤衫更凉爽的原因。）当装置上有光照射时，叶片就会旋转，黑色面朝远离光的方向运动。这就直接证明了光子具备足够的动量，可以推动辐射计的叶片运动。
爱因斯坦苦苦思索的是动量与质量的函数关系：动量是质量和速度的乘积。因此，一辆以每小时30英里的速度运动的机车，比以相同速度运动的虫子具备更大的动量。但是，不具备质量的光子怎么会有正动量呢？
爱因斯坦的思想实验由一个在空中飘浮的盒子组成。盒内有一个光子从左端射向右端。因为系统的总动量守恒，所以当光子发射时，盒子向左退。一定时间后，光子与盒子右端相撞，将其动量转化给盒子。系统总动量仍需守恒，所以此时盒子静止不动。
至此，一切似乎都很合理。但仔细想一想，从爱因斯坦的角度来看，又会如何呢？他是从盒子的外部观察的，所以应该看不到盒子外部有任何变化：没有微粒对其进行撞击——无论是否具备质量，也没有物体脱离。而根据上述情节，爱因斯坦却看到盒子迅速向左移动，然后停了下来。按照我们的分析，每个光子应持续使盒子向左运动。另一方面，既然不存在盒子向外部作用或受到外部作用的情况，那么其质心应与之保持相同位置。但是盒子内部从左向右运动的光子不能改变质心位置，因为它不具备质量。
还是，它具备质量？爱因斯坦的推论是，既然光子具备能量和动量，那么它也一定存在质量的等价物。运动的光子与运动的物质完全等价。我们可以通过确认光子运动期间，系统质心必须保持静止来计算这一等价值。通过数学计算，爱因斯坦证明了质量和能量等价，并通过简单的常量相联系。然而，值得注意的是：这个常量也许简单，但数值却极大，它是光速的平方（大约1.7×1017——即，17后面跟16个0） 。这样，我们也就得出了爱因斯坦著名的方程E = mc2。因此，1盎司（28克）的物质相当于60万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量。爱因斯坦在1939年8月写给罗斯福总统的信中，说明了根据这个方程式计算出的原子弹的潜在能量，而这个方程式也开启了原子时代。
你也许认为这一点应该早点被发现，因为实验人员早就察觉到放射性物质的质量亏损是受到了长期辐射的结果。然而，当时存在一种假设，认为放射性物质燃烧了自身包含的某种特殊高能燃料。这种假设并非完全错误，只不过那种燃烧掉的燃料就是质量。
我以达尔文和爱因斯坦的思想实验作为本书的开篇有以下几个原因。首先，它们展现出人脑的非凡能力。在没有任何其他设施的情况下，爱因斯坦只凭笔和纸就描绘出这些简单的思想实验并写出由此得到的简单方程式，颠覆了统治物理学领域两个世纪的传统观念，深刻地影响了历史的进程（包括第二次世界大战），并开启了核时代。
爱因斯坦确实借鉴了19世纪的一些实验结果，但这些实验也没有使用精密仪器。虽然后来，爱因斯坦的理论验证实验确实使用了先进的技术，如若不然，我们也无法证实爱因斯坦理论的正确性和重要性。然而，这都无法掩盖由这些著名的思想实验展现出来的人类思想的耀眼光芒。
虽然爱因斯坦被誉为20世纪最伟大的科学家（达尔文被誉为19世纪最伟大的科学家之一），但隐藏在其理论背后的数学原理却并不复杂，思想实验本身也十分简单。所以，我们不禁好奇，爱因斯坦究竟为什么会被贴上无比聪明的标签？我们将在后面的内容中具体描述他在提出这些理论的时候，有着怎样的思维活动。
这段历史也展现了人类思维的局限性。为什么爱因斯坦能驾乘光束而不至于摔落（虽然他推断实际上不可能驾乘光束），而成千上万其他的观察者和思考者却不能借助这些并不复杂的方式来思考呢？一个共同的障碍就是大多数人难以摒弃并超越同辈人的思维观念。至于其他障碍，我们会在考察大脑新皮质如何工作后进行更细致的讨论。
大脑新皮质的统一模式
我分享这些历史上最著名的思想实验的主要原因，是为了用同样的方法研究大脑。正如你将看到的，借助简单的思想实验，我们能很好地理解人类智慧是如何发挥作用的。进行这样的研究，思想实验当仁不让，是最恰当的方法。
如果一个年轻人只需空想和笔纸就足以彻底改变物理学观念，那么对于熟知之物，我们理应能取得更深刻的认识。毕竟，在清醒的每一刻，我们都在思考。
在通过自我反省的过程建立一个思维运作的模型后，借助最新的大脑实际观测和目前机器重现这个过程的技术，我们将检测这个模型的准确度。
02 思考的思想实验
我很少用语言来思考。想法产生后，我才会设法用语言来表述。
阿尔伯特·爱因斯坦
大脑只不过3磅（1360克）重，你可以一手掌握，但它却可以构想出亿万光年的宇宙。
玛丽安·戴蒙德
令人惊奇的是，这个区区3磅重，与世间任何事物并无构成差异的大脑，却指挥着人类的一切活动：探测月球、打出本垒打、写出《哈姆雷特》、建造泰姬陵——甚至是揭开大脑自身的奥妙。
约尔·哈费曼
思考，人脑不同于计算机
我大约在1960年开始思考“思考”这一问题，同年我发现了电脑的存在。现在没几个12岁的少年没用过电脑，但在我们那个年代，纽约可没几个用过电脑的12岁少年。早期的电脑是一个庞然大物，我接触到的第一台电脑整整占据了一大间房。20世纪60年代早期，我在一台IBM1620型号的电脑上做过数据的方差分析，分析的数据是研究一个儿童早教项目得出的，这成为“领先”的前身。因为我们的工作肩负着美国教育改革的使命，所以责任重大。由于算法和所分析的数据过于复杂，所以我们也无法预测计算机将给出什么答案。当然，结果取决于数据，但即便如此，它们依然不可预测。实际上，“取决于”和“可预测”之间的差距是一个重要命题，下文将进行深入探讨。
我还记得当我看到算法运行快结束，显示屏暗下来时那股兴奋劲儿，那给我一种电脑陷入沉思的感觉。经过的人迫不及待地想知道下一组结果时，我会指着闪烁的微弱灯光说：“它在思考呢！”这并非只是一个玩笑——电脑确实是在认真地思考问题，于是，工作人员们开始赋予冰冷的机器以人性。这也许只是一种人格化，却驱使我开始认真思考计算机技术与思考之间的关系。
为了弄清楚我们的大脑和我熟知的电脑程序之间的相似度，我开始研究大脑处理信息时的行为。如今，我已经研究了50年之久。在后面的章节中我将阐释我对大脑运作的理解，而这是有别于计算机的。不过，从根本上说，大脑也在存储和处理信息，而且由于计算具有一般性——这个概念我也将会再作讨论，大脑和计算机之间的相似性并不只是看上去那么简单。
记忆是连贯有序的
每当我做一件事或思考一件事——不论是刷牙、进厨房、思考商业问题、练琴还是冒出新想法，我都会反思我是怎么做到的。我会花更多的精力去思考那些我办不到的事，因为人类思维的局限同样也能提供很多线索。过多的关于思考的思考也许会减慢我的思维，不过我一直希望这种自我反省能帮助我完善思维方式。
为了提高对大脑运作的认识，让我们尝试进行一系列的思想实验。
尝试背诵字母表。
你也许在孩提时就记住了，所以能轻松应对。
很好，那么尝试倒背字母表。
除非你按照这个顺序学过字母表，否则你基本上做不到。假若有人正好在贴有字母表的小学教室待过很长一段时间，也许能唤起图像记忆，并据此倒背出来。不过，即便如此，也不容易完成，因为我们并没有记住整个图片。按理来说，倒背和顺背字母表，都只是背字母表而已，应该没什么难度，但我们却做不到。
你记得自己的社保编号吗？如果记得，你能在不先写下来的情况下就把它倒背出来吗？倒唱那首名为《玛丽有只小羊羔》的童谣又如何呢？这些都难不倒计算机，但是人类却只有在专门逆序学习过的情况下才能做到。显然，这向我们传达了关于人类记忆规律的重要信息。
当然，如果让我们按照顺序写下来，再倒序读出来，肯定是轻而易举的。因为这时我们用到了一个很早就出现的工具——书面语，以此来弥补人类独立思考的一个缺陷。（口语是人类的第一发明，书面语是第二发明。）我们发明工具正是为了弥补我们的缺陷。
这也意味着我们的记忆是连贯有序的，可以按照记忆刻入时的顺序获取，却无法倒序获取。
另外，从序列中间开始回忆对我们来说也有一定困难。我学习弹奏钢琴曲的时候，基本上很难直接从中间某一个音开始弹奏。虽然我能从某几个音的部位直接插入开始弹奏，但那是因为我的记忆是一段一段排序的。如果我试图从段中插入开始弹奏，我就需要从头弹奏，直到我记起这个音处于我的记忆顺序中的哪个位置。
接下来，尝试回想一下最近一两天散步时的情景。你还记得什么？
如果你不久前才散步过，例如昨天或今天，那么这个思想实验做出来效果最好。你也可以回想一次驾驶经历，或是任何涉及距离移动的经历。
你可能记不住多少了。你遇到的第5个人是谁（不仅仅指你认识的）？你是否看到一棵橡树？邮箱呢？你第一次拐弯时看到了什么？如果你经过了商店，那么第二扇窗户里摆放着什么呢？也许你能根据记得的一些线索记起这些问题的答案，但更有可能发生的是，你基本上不记得多少细节了，即使是刚发生不久的事。
如果你定期散步，回想一下上个月的第一次散步；如果你是通勤族，回想一下上个月第一天去办公室的情况。你很可能压根什么也想不起来，即便你能记起来，肯定也没有今天的情况记得清楚。
我会在下文讨论意识的问题，并重点谈谈我们习惯将意识等同于记忆的问题。因为我们不会记得麻醉期间发生的任何事，所以我们相信我们当时是没有意识的（尽管也有复杂难懂的意外情况）。那么就我今天早上的散步而言，难道我大部分时间都是无意识的吗？考虑到我基本上记不起来看到过什么、想过什么，这似乎是合理的解释。
巧的是，我确实记得一些今天早上散步时发生的事。我记得我想到了这本书，但不记得具体思考了什么。我还记得碰到一个推婴儿车的迷人女士，她的孩子很可爱。我也回忆起了当时产生的两个想法：这个婴儿和我新出生的孙子一样可爱；这个婴儿眼中的世界是怎样的呢？但我不记得他们的衣着和发色。（我妻子会告诉你这很常见。）虽然我无法具体描述他们的容貌，但那位女士确实给我留下了深刻的印象，我确信我能从一大堆女士的照片里轻易挑出她的照片。不过，尽管我脑海里肯定留下了一些关于她的容貌的记忆，但是当我去回想那位女士、她的孩子和婴儿车的时候，我却无法想象出他们的样子。关于他们，我的头脑中没有形成任何影像。我很难准确地描述出这段经历到底在我脑海中留下了什么。
我也记得几个星期前散步时见过另一位推着婴儿车的女士。不过，我想我甚至连她的照片也认不出。相比当时，现在的记忆肯定是模糊了许多。
然后，想想你只碰到过一两次的人。你能清楚记得他们的样子吗？如果你是一位视觉艺术家，那么你可能学过这种观察技巧。不过，通常情况下，我们很难描绘出不经意间碰到的人，虽然认出他们的照片可能并不困难。
这就表明我们的头脑中并不存储图片、视频和录音之类的内容，我们的记忆是一种有序的图像记忆。未能图像化的部分会从我们的记忆里慢慢淡去。例如，警方让受害人指认犯罪嫌疑人时，并不会直接问受害人“罪犯的眉毛是什么样子”。相对地，他们会拿出一组眉形图片让受害人指认。而特定的眉形能够激活受害人头脑中关于罪犯的记忆图像。
现在，让我们看一下图2—1中这些熟悉的脸庞，你能认出他们吗？
毫无疑问，即使只是一些有意遮掩和扭曲了的图片，你还是能认出这些名人。这体现出人类感官的一大优势：即便我们感知到的是残缺或者修改过的图片，我们依然能够识别。我们的识别能力能够提炼出图片上那些不会在现实世界中发生改变的恒定特征。讽刺漫画以及印象主义这些特定艺术形式虽然会有意地改变一些细节，但重心依然会放在我们可以识别的大体轮廓上（人或物）。艺术其实先于科学一步，发现了人类感官系统的强大。这也是为什么我们只凭几个音就可以识别出一首曲子。
现在，我们看一下图2—2。
这幅图有点模棱两可——黑色区域指示的角落既可能是内角，也可能是外角。你最初看到的可能是其中一种——内角或外角，但如果细看，你也可以看到另一种。不过，一旦你的思维成型，你就很难看到另一种情况。（这同样适用于知识视角的问题。）你对黑色区域的理解会影响到你对整张图的体验。当你将其视为内角时，你会把灰色区域当成阴影部分，如此一来，灰色区域的颜色就没有你将其视为外角时那么深了。
因此，对于感知的意识体验实际上会因为我们作出的不同诠释而改变。
想想这句：我们明白了我们想要……
我相信你能将上面的句子补充完整。
如果我写出最后一个词，你也许只需轻瞟一眼，就知道它是否就是你所期待的。
这表明我们在不断对事态进行判断和设想我们将会有怎样的体验。这种期望会影响我们对事物的实际感知。对事态进行判断其实是我们要有大脑的首要理由。
联想因触发而生
想想会定期发生在我们身上的一种经历：多年前的记忆莫名其妙地出现在脑海里。
这段记忆通常是关于某人或某事的，并且是一段你已经遗忘很久的记忆。显然，某个事物触发了这段记忆。这时，你的思路很明晰，也能表达清楚。而在平时，即使你能发现引发回忆的思考线索，也难以表达。触发因素经常很快消失，所以旧时记忆的出现似乎毫无缘由。在处理日常事务，如刷牙时，我经常经历这种随机的回忆。有时，我也许能意识到其间的关联，比如说，牙膏从牙刷上掉落可能让我想起大学上美术课时，刷子上的颜料掉下来。有时，我只有一种模糊的关联意识，或者根本没有。
为记起某个词语或某个名字而绞尽脑汁是每个人都经常碰到的情况。在这种情况下，我们会尽力用触发因素提醒自己，以开启回忆。例如：谁在《西斯的复仇》（Revenge of the Sith）中扮演女王帕德梅（Queen Padmé）？让我们想想，她是最近一部与舞蹈有关的电影《黑天鹅》（Black Swan）的主角，哦，对了！娜塔莉·波特曼（Natalie Portman）！有时，我们也采用别具一格的记忆法辅助记忆。例如，她一直很苗条，不胖，哦，对了！波特曼！娜塔莉·波特曼！[9]除了一些足够牢靠的记忆能让我们直接由问题（例如谁扮演女王帕德梅）联想到答案，通常我们需要经历一系列的触发机制，直到其中一个发挥效用。这与拥有正确的网页链接极其相似。记忆确实会消失，就像缺少其他网页与之链接的网页一样——至少我们找不到与之链接的网页。
记忆的结构是层级的
在做例行动作观察自己，如穿衬衫时，想想每次在多大程度上都是按同样的步骤在完成这些动作。根据我自己的观察（如我之前所说，我经常尝试进行自我观察），每次完成特定的例行任务，很可能都遵循了相同的步骤，尽管也许会添加额外的模块。例如，我大部分的衬衣都不需要袖扣，但如果其中一件有了袖扣，就会引发出一系列额外的动作。
我大脑中的步骤列表是按层级组织的。睡前，我遵循一套例行程序做事——第一步是刷牙。这个行为还可以分解成一系列更小的步骤，第一步是将牙膏挤到牙刷上。同样，这一步骤由更小的系列步骤组成，例如找牙膏，打开牙膏盖子等。找牙膏也包含步骤，它的第一步是打开洗漱间的贮藏橱。这种嵌套实际上可以一直延续到相当精细的动作，因此，我晚间的例行事务是由成千上万细小的动作组成的。尽管我也许很难记起几小时前散步的细节，但我却能轻易回忆起睡前准备工作的所有步骤——我甚至还能在完成这些步骤的同时思考其他事情。需要重点指出的是，这个列表并非以包含成千上万个步骤的列表形式存储——每一个例行程序都以嵌套活动组成的复杂层级结构记忆。
这类层级结构也包含在我们识别物体和环境的能力中。我们认识熟悉的脸庞，也知道这些脸庞包括两只眼睛、一个鼻子、一张嘴等—— 一种我们运用到感知和行动中的层级模式。层级结构的使用让我们可以再次利用模式。例如，当我们遇到一个新面孔时，不需要再学习鼻子和嘴巴的概念。
下一章，我们将把这些思想实验的结果放在一起讨论大脑新皮质的运作原理。我认为，从找牙膏到写诗的所有例子，都揭示了人类思考的统一本质属性。
03 大脑新皮质模型
大脑是一种生理组织，而且是一种错综复杂的织物组织，与我们所知的宇宙中的其他任何事物都不同。但是，就像其他生理组织一样，它是由细胞构成的。确切地讲，这些细胞是高度专业化的细胞，但控制它们的原理和控制其他所有细胞的原理是一样的。人们能够检测、记录和解释这些细胞的电学信号和化学信号，也能够识别它们的化学成分。同时，人们还能够描述构成大脑织物神经纤维网的关系。总之，人们能够研究大脑，就像研究肾脏一样。
大卫·休伯尔
假设有一台机器，它的构造使它能够思考、感觉以及感知；假设这台机器被放大但是仍然保持相同的比例，因此你可以进入其中，就像进入一间工厂。假设你可以在里面参观访问，你会发现什么呢？除了那些互相推动和移动的零部件以外，什么都没有，你永远都不会发现任何能够解释感知的东西。
戈特弗里德·莱布尼茨
分层模式
在前面的章节中，结合不同的上下文，我多次介绍了那些简单的实验和观察资料。从这些观察资料中得出的结论必然会束缚我的那些关于“大脑必须做什么”的解释，就像19世纪初期和晚期进行的那些关于时间、空间以及质量的简单实验必然会束缚青年大师爱因斯坦关于“宇宙怎样运行”的思考。在接下来的论述中，我也会论述一些关于神经系统科学的基础的观察资料，并尝试避开那些尚存在争论的细节部分。
首先，让我解释一下为什么这一节会专门论述大脑新皮质。我们都知道，大脑新皮质负责以分层方式处理信息模式。没有大脑新皮质的动物（主要是非哺乳动物）基本上无法理解层次体系。能够理解和改变现实社会的内在层次性是哺乳动物独有的特征，因为只有哺乳动物才拥有这种最新进化的大脑结构。大脑新皮质负责感官知觉，认知从视觉物体到抽象概念的各项事物，控制活动，以及从空间定位到理性思考的推理以及语言——主要就是我们所说的“思考”。
人类的大脑新皮质，也就是大脑最外层，其实是一个较薄的二维结构，厚度约为2.5毫米。啮齿类动物的大脑新皮质大约邮票大小，表面光滑。灵长类动物在进化中的收获是，大脑顶部的其余部分出现复杂的褶皱，伴随有深脊、凹沟以及褶痕，它们扩大了大脑皮质的表面积。因为有了这些复杂的褶皱，大脑新皮质成为人类大脑的主体，占其重量的80%。智人拥有一个巨大的前额，为拥有更大的大脑新皮质奠定了基础；而我们的额叶则是处理与高层次概念有关的更为抽象模式的场所。
这种薄薄的结构主要包括6层，编号I（最外层）到VI。来自II层和III层的神经元轴突投射到大脑新皮质的其他部位。V层和VI层的轴突则主要建立起大脑新皮质外部与丘脑、脑干和脊髓的联系。IV层的神经元接收来自大脑新皮质外部神经元的突触（输入）联系，特别是来自丘脑的。不同区域的层数稍有不同。处于皮质运动区的IV层非常薄，因为在该区域它很少接收源自丘脑、脑干或者脊髓的输入信息。然而，枕骨脑叶（大脑新皮质中负责视觉处理的部分）还有另外3个子层，也被视为隶属IV层，因为有大量输入信息流入该区域，包括源自丘脑的。
一项关于大脑新皮质的重要发现是：其基础结构出现了超乎寻常的一致性。首先意识到这一点的是美国神经系统科学家弗农·蒙卡斯尔（Vernon Mountcastle）。1957年，蒙卡斯尔发现了大脑新皮质的柱状组织。1978年，他进行了一次观察，这次观察对于神经科学的意义，就相当于1887年反驳以太存在说的迈克尔逊—莫利实验对于物理学的意义。蒙卡斯尔对大脑新皮质显著的不变结构进行了描述，假定它是由不断重复的单一机制构成，还提议将皮层柱（cortical column）作为基本单位。上述不同区域某些层厚度的区别只是由各区域所负责处理的互联性的差异造成的。
蒙卡斯尔假定皮质柱中存在微小柱状体，但这一假定引发了争议，因为这种更小的结构没有明显的界定。可是，大量的实验揭示，皮层柱的神经元结构中确实存在重复的单元。我的观点是，这种基本单位是模式识别器，同时也是大脑新皮质的基本成分。与蒙卡斯尔关于微小柱状体的观点不同，我认为这些识别器没有具体的物理分界，它们以一种相互交织的方式紧密相连，所以皮层柱只是大量识别器的总和。在人的一生中，这些识别器能够彼此相连，所以我们在大脑新皮质中看到的（模块的）复杂连通性不是由遗传密码预先设定的，而是为反映随着时间的推移我们学到的模式而创造的。我将细致论述这一论点，我认为这就是大脑新皮质的组织方式。
应当指出，在我们进一步研究大脑新皮质结构之前，在合适的层面上建立新系统是很重要的。尽管化学理论建立在物理学的基础上，并且完全源自物理学，但在实际运用中，用物理学解决化学问题会显得很呆板，也行不通，所以化学才建立了自身的规律和模式。与之相似，我们得以从物理学中推论出热力学定律。我们曾经将一定数量的微粒称为气体，而非简称为一堆微粒，当时，解释粒子间相互作用的物理学方程式不适用，但热力学定律却适用。生物学同样也有其自身的规律和模式。单一的胰岛细胞十分复杂，在分子的层面上进行模仿更是如此；但若就胰岛素和消化酶调节的水平对胰脏运作的模型进行模仿，就简单很多。
相同的原理也适用于对大脑的理解和展示。在分子水平上对大脑进行反向操纵，展示其相互作用，的确是必不可少而且极具意义的。但是我们这一努力的目标是从本质上完善这个模式，以说明大脑是怎样处理信息，并产生认知意义的。
美国科学家赫伯特·西蒙（Herbert A. Simon）作为人工智能领域的创建者之一而闻名于世，他用适当抽象且极富才情的语言描绘了理解复杂系统的问题。1973年，在描述他发明的基本认知存储器（elementary perceiver and memorizer，以下简称EPAM）时，他写道：“假设你决定要把神秘的EPAM程序弄懂。我可以为你提供两个版本。一个是人工智能程序书中的版本——包含惯例和子惯例的整个结构……或者，我可以提供一个机器语言版本的EPAM，它是经过完整的转化之后的……我想我不必详尽地说明两个版本中哪一个能提供最简洁、最意味深长、最合法的描述……我也不会向你推介第三种……不能向你提供程序的版本，但可以提供计算机（被视为物理系统）按照EPAM运转时必须遵守的是电磁方程式和界定条件。那是最简单也最易理解的。”
人类的大脑新皮质中约有50万个皮质柱，每个皮质柱占据约2毫米高、0.5毫米宽的空间，其中包含约6万个神经元，因此大脑新皮质中总共有大约300亿个神经元。一项粗略的评估表明，皮质柱中的每个识别模式包含大约100个神经元，因此，大脑新皮质大约共3亿个识别模式。
当我们在考虑这些识别单元如何发挥作用的时候，我首先会说连从哪里开始讨论都是一个很复杂的问题。在大脑新皮质中，所有的事情都是自然而然地发生的，因此很难找到整个过程的起点和终点。我将会不断地提到一些我还没来得及解释但随后会重新讨论的现象，请大家谅解。
虽然人类只拥有简单的逻辑处理能力，但却拥有模式识别这一强大的核心能力。为了进行逻辑性思考，我们需要借助大脑新皮质，而它本身就是一个最大的模式识别器。大脑新皮质并不是实现逻辑转换最理想的机制，但却是唯一能帮助我们进行逻辑思考的武器。我们将人类下国际象棋的方法与典型的电脑程序下国际象棋的方法进行比较。1997年，电脑“深蓝”凭借每秒分析2亿个棋盘局面（代表不同的攻守序列）的逻辑分析能力，击败了人类的国际象棋冠军加里·卡斯帕罗夫（Garry Kasparov）——现在这项任务由几台个人计算机就可以完成。当卡斯帕罗夫被问及每秒能分析多少个棋盘局面的时候，他的回答是一个都不到。那么他为什么还能和“深蓝”对弈呢？答案就是人类拥有很强的模式识别能力。然而，我们需要对这个能力进行训练强化，这可以解释为什么不是所有人都能玩大师级的国际象棋。
卡斯帕罗夫学习了大约10万个棋盘局面，这是一个真实的数据。因此，我们估计，一个精通某一特定领域的人大约掌握了10万个知识点。莎士比亚创作戏剧用到了10万个词义（涉及29000个不同的单词的多种组合）。涵盖人类医学知识的专家系统表明，一个人类医学专家通常掌握了大约10万个其所在领域的知识块。从这个专家系统里识别某一知识块并非易事，因为每当某一个具体的知识点被检索过后，就会呈现略微不同的面貌。
掌握了这些知识之后，卡斯帕罗夫下棋时，就会将他所精通的10万个棋盘局面同时与其眼前的局面相比较。所有的神经元在同一时间一起运作——思考“模式”。但这并不意味着它们在同时“激活”（如果真是如此的话，我们可能会摔倒在地） ，而是在进行处理的时候考虑 “激活”的可能性。
大脑新皮质可以存储多少种模式呢？我们需要将冗余现象作为一个因素进行考虑。例如，一个你喜欢的人的脸并不是只存储一次，而是按顺序存储数千次。其中很多次都是在重复相同的图像，但大多数情况下展示的是不同的视角，包括不同的灯光效果、不同的表情等。这些重复的模式都不是以图像本身的形式存储（即，二维阵列的像素），它们是作为功能列表存储起来的，而模式的组成元素本身就是模式。下面我们将更加细致地描述这些功能的层级关系以及它们的组织方式。
如果一个专家的核心知识大约为10万个知识“点”（即模式），每个知识点的冗余系数约为100，这就要求我们存储1000万个模式。专家的核心知识以更为普遍、更为广泛的专业知识为基础，因此层级模式的数量可增加到3000万到5000万。我们日常运用到的“常识”的知识量甚至更大,实质上，与“书中智慧”相比，“街头智慧”对大脑新皮质的要求更高。把这项包含进去，再考虑到约为100的冗余系数，总量预计将超过1亿个模式。需要注意的是，冗余系数并非固定的——极其常见模式的冗余系数高达几千，而一个全新的现象的冗余系数也许小于10。
如下文将讨论的，我们的程序和行动中也包含了模式，同样也存储在大脑皮质区域内，所以我预测人类大脑新皮质的总容量并非只有数亿个模式。这个粗略的统计与我在上文中做出的约有3亿个模式识别器的估计紧密相关，所以每个大脑新皮质模式识别器的功能是处理一个模式的一次迭代（即大脑新皮质中大多数模式的多重冗余副本中的一个副本）是很合理的。据我们估测，人脑所能处理的模式数量与生理模式识别器数量处于同一量级。应当在此指出的是，我所说的“处理”一个模式，其实是指我们利用这个模式能做的所有事：学习、预测、确认以及执行（要么进一步思考，要么借助一种生理运动模式）。
3亿个模式处理器听起来也许是一个大数字，它也确实足以让智人发展出口头语言和书面语言、所有的工具，以及其他各种各样的创造。这些发明都是在原有发明基础上产生的，这也使得技术的信息含量呈指数级增长，正如我在库兹韦尔定律中所描述的一样。其他的物种都没能做到这一点。正如我曾讨论过的，其他一些物种，如黑猩猩，确实有理解、形成语言的基本能力，也能使用原始工具。毕竟，它们也有大脑新皮质。但由于其形态较小，特别是额叶较小，所以能力有限。人类大脑新皮质的大小超过了阈值，所以我们能创造出更有力的工具，包括让我们理解自身智慧的工具。最终我们的大脑，结合它所发明的技术，将使我们创造出人造大脑新皮质，它包含的模式处理器将远远超过3亿个。为何不是10亿呢？或者10000亿？
模式结构
我在此介绍的围绕思维的模式识别理论是建立在大脑新皮质中模式识别模块进行的模式识别的基础上。这些模式（以及模块）是按照层级关系进行组织的。接下来我会讨论这个观点的智力来源，包括我在20世纪80年代和90年代做的层级模式识别工作和杰夫·霍金斯（Jeff Hawkins）与迪利普·乔治（Dileep George）在21世纪初提出的大脑新皮质模型（如图3—1所示）。
