人工智能的神经科学启示

摘要：这篇文章主要介绍了作者阅读Crick的《The Astonishing Hypothesis》的新的体会，主要会叙述一些关于意识的本源的认识和神经网络的观点。

一、引入

       近日阅读了Francis Crick的著作《The Astonishing Hypothesis》，这是一本主要介绍神经科学、视觉系统和人类意识的研究现状的科普书籍。作者曾与James Watson一起发现DNA的分子结构的英语生物学家，提出过中心法则，后转向研究神经科学。本书发表时间较早，因此研究进展会稍稍落后于当下，但总的来说给了我的人工智能研究有了一些启示。

 

二、意识的本源

       Crick的中心思路是把人类的意识归结于若干神经元的协同作用，这在唯物主义世界观的角度来说，是比较显然的。但是很容易让人困惑的是，我们的意识，是非常自由的，我们可以任意地思考，就好像有一个概念上的“我”（即正常意义理解下的意识）在操纵一样。

       在这个问题上，书末的跋中，Crick就提出在大脑中的前扣带回这一区域很有可能是这种自由意识的物质来源，他甚至提出这种自由的感觉，很有可能是来自一种随机性。其中有个叫做异己手综合征的病例很值得研究：

       患者的左手可以活动，做一些十分简单的、刻板的动作，但他却拒绝对此手负责。例如，此手可能自发地抓住放在近旁的某个东西，但有的时候却不能把它放下，不得不用右手把它从东西上拿开，有一位患者发现，他不能用他的意志力使“异己手”放开物体，但如果大声地喊：“放开！”，也许它会把抓住的东西松开。那么“异己手”症是什么部位受损呢？又是靠近或正好在前扣带回上（如果“异己手”为左手，那么损伤位于右脑），也可能是胼胝体的相应部分受损，以致于左侧区域发出指令不能到达由受损的右边区域控制的左手。

        可以猜想的是，前扣带回的受损，产生了一个分裂的意识，或者说另一个“我”，但他不能与本来的“我”沟通。这个意识可能并不如主意识（原有的意识）一样拥有视听说的感官能力，但是却可以操纵手臂的运动，而且不受主意识的控制。当然，也有可能并没有产生另一个意识，而只是一个随机扰动的影响。这种猜想还有待科学实验的证实。

 

       除了探究意识的物质本源问题，Crick还提出了两种观点，也即是分别认为注意和短视记忆与意识存在着非常密切的联系。注意在视觉和听觉上是很常见的。我们可以在混杂的视觉图像中集中关注一个小部分，获得清晰的视野，而其他区域就相对模糊（或者说大脑把他们过滤了）。听觉也很类似。

       短时记忆，例如痛感，这种可以清晰地反映在意识内的感觉。在许久以后，就几乎彻底地从大脑内消失了，就像一个临时的记忆一样。而这个观点，在之后的文章中也能发现很多支撑的案例。

 

       最后的讨论是关于无意识活动的。也即是大脑的存在的大量的活动，我们是感受不到的。这方面的研究，主要有Hermann von Helmholtz和Sigmond Freud等人的工作。

 

三、大脑的功能

       事实上，除了Freud等人提出的潜意识的存在以外，大脑有很多不为人知的工作。从这本书中，我可以颇有信心地说，我们的意识能感受到的大脑活动可能仅仅是其中的10%，有大量的大脑操作对我们的意识是屏蔽的。更精确的说，我们的意识很可能只是大脑处理结果的“投影屏幕”。

       大脑的功能相对来说是非常复杂的，因此作者选择了视觉作为研究对象，这是因为视觉相对来说是容易被结构化的，也容易设计实验，更重要的是科学家们已经发现了灵长类的视觉系统和人类视觉系统有着非常接近的结构与性质。

       在视觉课题中，Crick提出了诸多前人做过的有趣的实验，以及他的一些观点。他认为：看是一个“建构”的过程。也即是说，我们的视网膜在捕捉到外界的二维画面，并通过神经传输信号至大脑，最后生动地呈现在我们的意识之中的过程中，有一个在大脑中寻求最简单最合理解释的过程，但不能确定是一个自主过程还是寻找模式的过程。例如：

                          

   图1

 

在图1的左图中，初看可能只是个有对称性的平面图（注意此处的对称性），当然也可能是一个不知所云的平面图。但是在右图加上了三条遮蔽物后，就有一种非常生动的立体感了，我们可以清晰地看出来是一个立方体。

 

       在视觉研究中，Gestalt学派等人提出了知觉定律，认为人类的视觉按照着一定的模式去分析事物。例如我们的视觉倾向于选择相对接近的事物，倾向于认定事物具有连续性等。例如图2中：

 

   图2

在图2中，就我个人会更倾向于构成的是三条竖线，而不是四条横线，这与点的空间接近关系是有着一定关系的。但这种观点在我个人看来还尚缺乏有力的依据。

       除此之外，大脑对对象的处理是有时延的，但是也是有短时记忆的。有一个实验，鲜明地表现了这一观点。它首先给受试者一个20毫秒的红色闪光，紧随着一个20毫秒的绿色闪光，这两者没有混合，但是在受试者的回答中却说看见了黄色闪光。作为对照试验，在红色闪光之后等待一小段时间再给出绿色闪光，这是受试者就可以正确反馈了。这是一个非常奇特的现象，可以猜想的是，这些信息在我们的大脑中，有着较短时的处理时延或者存储，而且一定时间内的信息会做一个综合处理。

 

四、神经网络

       关于视觉在大脑中处理的信号的存在形式，Crick认为那绝对不是简单的二维光学信号点阵。因为这对于人类视觉的快速识别来说太过于困难了。他认为这种二维点阵在大脑中有着更高层的抽象，会形成一种符号化的信息，这些符号化的信息从不同的角度来描述视觉信息中对象，例如从颜色、亮度、深度是一个角度，而眼、耳、鼻又是一个角度。这些角度分别构成了神经网络的各层。这种观点和当下的深度学习不谋而合。不仅如此，作者也说明了反馈传播的存在，因此BP算法也是有它的事实基础的。

       Hebb规则的提出，在训练人工神经网络中提出了一个很好的指导性法则，其中有一个非常有代表性的例子就是巴甫洛夫实验，如图3所示：

 图3

这在训练算法上给予了一些指导，即是：共同作用的两者之间的联系（突触的连接程度）会加强。

        除此之外，贯穿全文的观点就是，在大脑底层的操作中，是高度并行的，而到了顶端，也就是意识的注意的过程中就变成了串行计算的，它随着我们的注意的移动而不断执行。可见，在并行处理这一块的发展，对人工神经网络的研究是大有裨益的。除此之外，从底层到高层中，存在着大量的降维和抽象的过程，需要深入的挖掘。

        最后，在高层的抽象，必然还是结构化的。我们可以清晰地意识到我们视觉中的物体的相对位置关系，就像我们在视网膜上接收的初始信息一样，位置关系非常明显突出。这表明我们高层的抽象，必然也是存在着结构化信息，不完全是空间位置，所以在神经网络研究中值得关注这一点。

 

五、总结

      《The Astonishing Hypothesis》是一本很有趣的科普书籍。主要讲述了神经网络、神经系统、视觉系统和意识等人类还不曾大力研究过的课题。对生物学、神经科学、人工智能等学科的学者、学生都大有裨益。我个人非常推荐阅读。

        对于我个人来说，书中提出的观点对我未来的研究有较多影响：

1. 大脑在底层是高度并行计算的，到了高层，就近似于串行计算。这说明：分布计算对人工神经网络发展是有很大意义的。并且，为了提高高层处理效率，我们在高层的抽象程度是非常高的。

2. 外部信号在大脑中有多级的抽象。这也在近年来的深度神经网络理论中得以应用，并且存在的很好的前景。

3. 而反馈这一现象在大脑中的存在已经得到证实。说明误差反向传播算法也有了事实基础。

4. 关于记忆，这很可能是一种存储在神经网络连接强度的信息。也就是说这种记忆并非在大脑中不断运转，直至消失。而是静态地存储于神经网络结构中。相关的实验可以参看用化学方法阻断小鼠NMDA通道的实验。

5. 对于高层抽象，仍然应该保有结构化的信息，这是由于我们在高层依然能够感知结构化的内容，如空间相关性等信息。

       关于意识的问题，这本书提出了很多想法，但是得到证实的并不多。多数原因是因为实验开展的困难。但是作者也提出了，外部行为研究、计算机模拟加上内部机理研究和猜想几个方面的不断综合是可以得到理论上的突破。遗憾地是，作者在2004年离世，这样一个伟大的科学计划，留待我们后人去开展。