人工智能時(shí)代探討腦認(rèn)知形式化

李德毅

在1956年第一次大會(huì)會(huì)議上，一批青年人討論腦認(rèn)知，有神經(jīng)科學(xué)家，還有腦學(xué)家。很多人拿了圖靈獎(jiǎng)，有些人拿了諾貝爾獎(jiǎng)，60年過(guò)去了，今天大家思考腦認(rèn)知情況，應(yīng)該叫腦認(rèn)知形式化，從腦認(rèn)知到人的智能，顯然就是評(píng)估?，F(xiàn)在是人工智能的時(shí)代。這個(gè)報(bào)告還有個(gè)副標(biāo)題叫從研發(fā)機(jī)器駕駛腦袋。跟Google一樣研究無(wú)人駕駛，是使用機(jī)器人還是輪式機(jī)器人來(lái)隱性地幫著人們開車，或者利用一個(gè)雙駕雙控的輪式機(jī)器人，讓人和機(jī)器人和諧相處，這里涉及到人和機(jī)器人如何打交道的問題。

解釋腦認(rèn)知之謎

從目前人們最關(guān)心的各個(gè)學(xué)科交叉點(diǎn)談，我認(rèn)為可從兩個(gè)方面來(lái)解釋腦認(rèn)知之謎，一是腦認(rèn)知的神經(jīng)學(xué)方法，這個(gè)現(xiàn)在非?；穑热鐘W巴馬的腦計(jì)劃，東盟、日本以及中國(guó)的腦計(jì)劃，還有李彥宏的中國(guó)大腦計(jì)劃等；二是腦認(rèn)知能不能從生理或者身體上找到原因。IT人士有一個(gè)正常的本能——遺忘、排斥和拒絕接受，這是人腦的本能。當(dāng)一個(gè)人對(duì)一個(gè)事情認(rèn)識(shí)了，對(duì)另外一個(gè)事情的認(rèn)知度就不夠了。講到生理和身體學(xué)，人的意識(shí)、性格和思維，能不能在人腦中找到定義，用什么樣的尺度去刻劃特定記憶，這就變成了一個(gè)基本問題，就是腦認(rèn)知的形式化。

腦認(rèn)知有多大尺度？北京大學(xué)院長(zhǎng)曾提到過(guò)腦組織機(jī)構(gòu)圖，我說(shuō)過(guò)無(wú)人駕駛腦可以畫一個(gè)功能機(jī)構(gòu)圖，他說(shuō)一個(gè)腦認(rèn)知圖花一百年時(shí)間也畫不出來(lái)，到底該分多少塊去畫？18世紀(jì)最早的顱相學(xué)把顱骨中的26個(gè)骨和認(rèn)知建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，后來(lái)被認(rèn)知為偽科學(xué)。

大腦神經(jīng)區(qū)域與認(rèn)知行為相關(guān)性研究，起源于癲癇病人腦手術(shù)，不同區(qū)域不同頻率的腦電波涌現(xiàn)為整個(gè)大腦服從同一振蕩，病人表現(xiàn)為抽搐。這是認(rèn)知神經(jīng)學(xué)的起點(diǎn)。當(dāng)今有人通過(guò)FMRI觀察，將人腦分為116和252個(gè)功能區(qū)加以研究。人腦大約2千克，其中有一小半在小腦內(nèi)，以不同拓?fù)湫螒B(tài)分布在不同區(qū)域，每個(gè)神經(jīng)元平均和7千多個(gè)神經(jīng)元一起構(gòu)建成人腦中最復(fù)雜的圖。我們這個(gè)圖有一個(gè)毛病，不同的顏色代表不同的神經(jīng)組，這是對(duì)的，它起碼畫著紅顏色、白顏色、藍(lán)顏色，但是它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有多樣性。這個(gè)多樣性指的是人腦有的地方是不同的網(wǎng)，是不同的拓?fù)湫螒B(tài)。世界上沒有微觀組織完全相同的兩個(gè)人腦，生來(lái)就可以控制你的功能核磁共振圖。

腦認(rèn)知是對(duì)感知和記憶的編碼表達(dá)以及對(duì)感知的理解和想象，它和腦成長(zhǎng)史相關(guān)。大家說(shuō)看到一個(gè)人和認(rèn)出一個(gè)人，可能代表不同的腦神經(jīng)功能回路，大腦中很多部位可能都參與了對(duì)絨毛影響性格的信息處理，成人腦中有記憶功能的大腦皮層大約有22平方厘米。世界上專門有人研究愛因斯坦腦，那么腦子大就聰明嗎？不一定。

研究腦認(rèn)知形式化的方法

神經(jīng)生物學(xué)家試圖用精神病患者細(xì)胞在培養(yǎng)皿中種出一個(gè)大腦皮層，器官在培養(yǎng)皿中被誘導(dǎo)成為能夠長(zhǎng)成任何細(xì)胞的多能干細(xì)胞，又進(jìn)而通過(guò)干細(xì)胞誘導(dǎo)技術(shù)使其成為腦細(xì)胞，同時(shí)造出神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞，這個(gè)方法極具挑戰(zhàn)性，當(dāng)時(shí)生物神經(jīng)回路和大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為腦認(rèn)知神經(jīng)學(xué)研究的熱點(diǎn)，所以我認(rèn)為研究腦認(rèn)知形式化的第一個(gè)方法就是認(rèn)知神經(jīng)學(xué)。學(xué)科在什么尺度上形式化才是至關(guān)重要的。尺度越細(xì)，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，形式化越難。例如生命科學(xué)在胰島素和消化酶的水平上用數(shù)百萬(wàn)細(xì)胞來(lái)研究胰島素的運(yùn)作過(guò)程，其難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于研究單一胰島素細(xì)胞尺度的運(yùn)作過(guò)程。這個(gè)世界宏觀更宏觀，微觀更微觀，尺度可以說(shuō)相當(dāng)大，怎么把這個(gè)尺度畫出來(lái)？我自己畫了一個(gè)臺(tái)階，底下是基因，比基因大一點(diǎn)的是分子大圖，有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、腦區(qū)域圖、認(rèn)知行為、基因等，從微觀、介觀或者宏觀程度上研究神經(jīng)元。

研究腦認(rèn)知形式化的第二個(gè)方法是腦認(rèn)知物理學(xué)方法。人的想法和智慧導(dǎo)帶從何而來(lái)？是天生就有還是后來(lái)的學(xué)習(xí)積累？我們經(jīng)常把人腦比成一個(gè)小塊，為什么不基于物理學(xué)的研究方法研究腦認(rèn)知？因?yàn)槲覀儼阉凶龃蟊姷奈锢韺W(xué)，人腦中的物理學(xué)。幾乎都是是從物理學(xué)而來(lái)？電子學(xué)會(huì)、計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)以及后來(lái)產(chǎn)生的人工智能學(xué)會(huì)，歸根到底還是物理世界。舉一個(gè)典型的案例，1920年在印度米德納波效果城附近人們?cè)诶歉C里發(fā)現(xiàn)兩個(gè)女孩，大的約七八歲，小的約兩歲，分別被取名Kamala和Aamala，送到孤兒院撫養(yǎng)，小的第二年就死了，大的兩年后才會(huì)直立，也只活到16歲，4年學(xué)會(huì)6個(gè)單詞，智力相當(dāng)于三四歲的孩子。所以我建議年輕的父母?jìng)兓丶乙欢ㄒ鰞和X成長(zhǎng)示例，比如狼孩在狼群里長(zhǎng)大，無(wú)法具有人的心理，錯(cuò)過(guò)了大腦學(xué)習(xí)語(yǔ)言和文字的最佳生長(zhǎng)發(fā)育期。因此我們研究人腦成長(zhǎng)和認(rèn)知的群居性和社會(huì)性，研究人腦社會(huì)學(xué)，目前只研究了一半。

腦認(rèn)知的社會(huì)屬性

腦認(rèn)知是生物屬性、社會(huì)屬性以及先天屬性、后天屬性相互結(jié)合而產(chǎn)生的整合行認(rèn)知過(guò)程。研究生物腦叫形式化，腦認(rèn)知的形式化可以先關(guān)注腦認(rèn)知的社會(huì)屬性，那么人腦是如何反應(yīng)客觀物理世界的？人腦是如何從外部環(huán)境中獲得知識(shí)和技能的？人腦又是如何根據(jù)已知解決未知的？人腦的想象力如何形成創(chuàng)新？我們想辦法把腦認(rèn)知形式化，腦認(rèn)知物理學(xué)習(xí)法是以物理學(xué)為基礎(chǔ)的神經(jīng)成像技術(shù)，如核磁共振、掃描、電位變化、信號(hào)分析等使得人類不再需要開顱就能認(rèn)識(shí)大腦。講到語(yǔ)言概念、語(yǔ)義或行為級(jí)，我是把物理學(xué)也畫了一張圖，那就是信號(hào)級(jí)別、符號(hào)級(jí)別、語(yǔ)義級(jí)別、行為級(jí)別。FMIR這個(gè)設(shè)備叫做宏觀設(shè)備，或者叫微觀設(shè)備，或者我們所理解的語(yǔ)義編碼就是符號(hào)級(jí)別。

我有一本書叫《不確定性人工智能》，解決的就是數(shù)據(jù)和語(yǔ)義之間的能力。我們希望用定型概念和定量數(shù)據(jù)之間的等量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)云模型、云推理、云數(shù)據(jù)、云變化等。腦認(rèn)知的物理學(xué)方法是將客觀世界的認(rèn)知延伸到主觀世界，將物理學(xué)中的場(chǎng)引入到認(rèn)知空間，填補(bǔ)數(shù)據(jù)模型和認(rèn)知模型之間的鴻溝，用數(shù)據(jù)場(chǎng)描述個(gè)體、神經(jīng)元或者智能體之間的相互作用。

大腦成像技術(shù)、人腦數(shù)據(jù)搜集、知識(shí)傳播與培訓(xùn)，這三塊是奧巴馬講的。認(rèn)知神經(jīng)學(xué)和認(rèn)知物理學(xué)的研究方法有不同的側(cè)重點(diǎn)。腦認(rèn)知的主要外在表現(xiàn)是聽、說(shuō)、看。因此我們要研究語(yǔ)言認(rèn)知、圖像認(rèn)知。當(dāng)然語(yǔ)言也是一種特殊的圖像。說(shuō)到腦認(rèn)知的內(nèi)涵有三個(gè)，第一是記憶力，第二是計(jì)算認(rèn)知，第三是交互認(rèn)知。我把記憶放在認(rèn)知之前，這是我主要表達(dá)的觀點(diǎn)，我認(rèn)為計(jì)算固然重要，記憶更重要。腦認(rèn)知的本質(zhì)是統(tǒng)計(jì)對(duì)于世界的認(rèn)知不是一次完成，需要多次反復(fù)，在不停的感知、認(rèn)知行動(dòng)過(guò)程中形成不確定性。因此動(dòng)態(tài)演化過(guò)程從時(shí)間上看是積分，就變成記憶。核心是記憶認(rèn)知，記憶是腦認(rèn)知的核心，是人類智能的顯著表現(xiàn)，記憶力強(qiáng)、記憶力大是認(rèn)知。圖靈科學(xué)家說(shuō)腦認(rèn)知的核心是記憶認(rèn)知。

IT人士與生命科學(xué)家的共識(shí)是，腦認(rèn)知是核心，是人類智能的顯著表現(xiàn)，記憶不是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)，它伴隨有一定的取舍，取舍過(guò)程就是計(jì)算、簡(jiǎn)約和抽象。把一本書放一百年，書里面有一些痕跡，它是抽象、簡(jiǎn)約。

記憶和計(jì)算總是同時(shí)發(fā)生，通常時(shí)間越長(zhǎng)丟失信息越多，記憶常常有聯(lián)想和搜索，聯(lián)想和搜索也是計(jì)算。無(wú)論語(yǔ)言記憶還是圖像記憶本質(zhì)上都是通知記憶。