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人类思考速度有多快:思考到行动不到150毫秒

据报道,人类思考的速度究竟有多快?科学家们研究发现,人类思考的速度会因距离、神经元特性及复杂度的不同而不同。由于人们喜欢将地球上形形色色事物的速度进行量化,比如光速、音速、地球绕太阳公转的速度等等。因此,科学家们也希望能够将人类思考的速度进行数值量化。尽管这是一个高难度的科学问题,但是科学家们还是尝试着进行挑战。

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认识思考  


首先,要对思考有所了解。量化事物速度的首要前提是,确定事物发生的始末节点。通常,我们对“思考”的定义是,思考是一种心理活动,即人的大脑感知到信息,然后发出行为指令,其中包括许多感官体验和处理过程。


根据这个定义,“思考”包括感知(判断所处环境)、决策(确定要做什么)以及行动计划(决定如何去做)。这几个处理环节之间没有明显的分界线,且相互独立。从深层次上看,每个环节及其子组件,都可以被看作是“思考”本身。但是,为了准确研究“思考”的速度,科学家们必须为其设定始点与终点。


“思考速度”数值的确定,有点类似于测量从自行车到火箭等各类交通工具的最大速度。不同思考速度的数量级相距甚远,例如,简单的思考有短跑运动员听到发令枪声后作出速跑反应,其速度数量级为150毫秒;复杂的思考包括在高速上开车决定何时变道,或者解决疑难数学问题,其速度数量级从数秒到数分钟不等。


既然思考不可见,那么我们如何测量思考?说到底,思考是大脑内部特殊的信息处理过程,所以人们根本无法对其进行观测。大脑的周围和中央神经系统中散布着大量复杂的神经元,思考就依赖于这些神经元进行信息交流。科研人员利用成像技术,如功能性磁共振成像和脑电图技术,对不同思考过程中神经元的活跃区域,以及神经系统中信息流的活动方式进行观测。尽管如此,在研究思考信号与思考活动之间的关系上,科学探索之路还相当漫长。


一些科学家认为,测量思考速度或能效的最佳代替方法是反应时间——在特定信号发出后作出反应的时间。事实上,自19世纪中期以来,科学家们就曾对神经系统中信息的传播速度进行过估量。由于思维最终是通过显性行为来表示,因此这种测量方法的确具有现实意义。反应时间是一种指标,反映出一个人从接收到理解信息,再到决定采取何种应对行为,并对该决定作出计划和行动。


影响因素


影响思考反应时间的神经因素有哪些呢?随着思考过程中参与的神经元与神经网络的不同,思考所需的时间也不尽相同。影响神经系统中信息流速度的因素有许多,但最主要的有三个:


一是距离。信息传递的距离越长,反应时间越长。大脑指令脚部作出的反应时间就比指令手部作出的反应时间要长,这是因为信息从大脑传递到脚的距离比到手的距离要远。条件反射就很好地印证了这一原理(注意,条件反射指的是无需“思考”的本能反应,因为反射作用中不需要有意识思考所运用的神经元)。这里举条件反射的例子是指,面对同样的条件反射,高个子的反应时间就比矮个子长一些。


二是神经元特性。首先,神经元的直径是关键因素。直径越大的神经元传播信息的速度越快,打个比方,在宽阔的多车道高速路上驾驶的人比在狭窄马路上驾驶的人,行驶速度普遍要快。其次,神经元拥有的髓鞘形成数量也很重要。一些神经细胞外层覆盖有髓鞘细胞,这层髓鞘质层起着隔离作用。有些神经细胞外层的髓鞘质层并不完整连贯,断层之间的神经细胞是裸露在外的。


这样一来,神经信号在传递过程中,要在这些裸露区域中断断续续跳跃前进,相比平滑地流经神经细胞表面,速度就慢了许多。在有髓鞘质层完整覆盖的神经细胞中,信息流的传递速度更快,更有效率。同样打个比方,比起由人工开车传递信息,经手机信号塔传播信息的速度要快得多。就人类而言,在联结脊髓到肌肉的神经细胞中,外层覆盖有髓鞘质层、直径大的神经元的信号传递速度为每秒70-120米,与之相反的神经元的信号传递速度为每秒0.5-2米。其间差距实在太大。


三是复杂度。增加思考所需的神经元数量,意味着信号需要传递的绝对距离增大——因此需要的时间就更多。此外,更多的神经元意味着更多的关联作用。由于大多数神经元之间并无物理接触,因此绝大多数神经信号是通过神经递质颗粒传递的。神经细胞之间的这种小空间,我们称之为突触。相比在单个神经元中持续传递,突触之间的信号传递过程所需时间更长(至少每突触0.5毫秒)。同样一份信息,从华盛顿传递到纽约,由同一个人完成整个任务所需时间,比由多个人接力完成该任务的时间要节省很多。事实上,即使是“最简单”的思考,都需要多个神经系统和成千上万的神经元相互配合共同完成。


思考的速度


思考速度到底有多快?科学家们发现,思考到行动之间所需时间不到150毫秒。一名短跑运动员站在起跑线上,听到发令枪响,然后决定跑,再到撒开双腿跑起来,整个信息处理过程涉及了一个复杂的神经网络——信息从内耳经过大量神经系统结构,最终传递到腿部肌肉上。所有这一切,都在不到眨眼工夫的时间内完成。


尽管决定冲出跑道跑步的时间极其短暂,影响整个过程的因素还是非常复杂。一个因素是发出“跑”命令的声音大小。虽然发令声越大反应时间相对越短,但是最佳的发令声音范围应该在120-124分贝之间,这个范围内的发令声可以减少18毫秒的反应时间,这是因为它可以“惊到”短跑运动员并触发预跑反应。


研究人员认为,一旦激活脑干中的神经中心,就会产生这种触发式反应。这种受惊反应所需时间之所以更短,是因为它所涉及的神经系统更直接更简单。科学家们曾对这种反应是否应该认定为“思考”进行过讨论,因为整个反应过程并不需要大脑作决定。但是,这些反应时间之间的差异表明,距离和复杂度等因素的确发挥了作用。同样,非自主反应比自主反应所需时间更短,因为前者所涉及的神经线路更短更简单。


由于思考的速度实在太快,我们常常以为思考与行为是几乎同时发生的。事实上,我们很难判断思考后行为发生的准确时间。尽管我们清楚地知道思考,与其指导下的行为发生息息相关,但是我们发现了一个有趣的现象,即我们决定行动与实际行动的发生,二者之间是有断层的。研究人员作了一个试验,他们让志愿者观察钟表上行走的秒针,然后随意完成一个简单且迅速的手指或手腕运动,如按键运动。当秒针转动后,研究人员要求志愿者识别秒针在钟面上的位置,然后作出相应动作。


令人惊讶的是,在决定作出该动作与实际动作之间,存在75-100毫秒的时间差。这个时间差不能简单地归结于信号从大脑到手臂肌肉之间的传递时间(数量级为16-25毫秒)。到目前为止,研究人员还无法确定是什么导致了这种错觉,但是普遍的看法是,人们是基于行为决策的时间和对未来行为的预测,而不是基于行为本身,作出了实际行动判断。这些发现又对行动计划和控制,以及我们的代理和控制感官提出了一个重要课题——因为我们决定行动,以及我们感觉何时行动,与我们的实际作出行动,二者之间是有差别的。

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