探索“认知围栏”的奥秘

日期：2011-02-03 作者：何积惠 来源：文汇报

从迷宫中寻找出路是一项惊人的高级认知任务                      
    □何积惠  编译
    
    人类大脑是世界上最为强势的力量之一，由它形成的智能使我们得以耕种大片的稻田，建设四通八达的城市，勾勒引人入胜的图画，谱写美妙悦耳的音乐或撰写推理小说。
    
    不过，要完整地描述人类思维如何产生自生物大脑，亦即数十亿个经由细微的电脉冲来保持沟通的神经元所组成的网络，这在目前依然是一大科学难题。神经科学的奠基人之一卡尔·拉什利早在1951年就预料，可能会出现一门“逻辑生理学”。英国剑桥大学医学研究会（MRC）认知与脑科学小组的助理主任兼牛津大学访问教授约翰·邓肯在其新著《智能是如何发生的》中，讲述了这一梦想如何得益于心理学、人工智能、大脑成像技术和神经生理学在现代的整合而即将变为现实的故事。
    
    从某种意义上说，人类大脑与其他脊椎动物的大脑很相似。许多动物的行为都建立在所谓“先天释放机制”（IRM）这一根基之上，它往往表现为一种由触发性的感觉事件来促成行动的固定模式。
    
    “先天释放机制”最为世人熟知的例证，也许源自动物行为学的奠基人之一尼古拉斯·丁柏根以及他对成对求偶刺鱼的分析。刺鱼是一种生有尖状背鳍的小鱼，以筑巢精致而著称。雄性刺鱼往往会通过巢口，看到一条雌性刺鱼进入他的领地，她的腹部因卵而鼓凸隆起，她的姿态表明对性行为是可以接受的。雄性刺鱼见到这番情景就会释放回应。他身子逐渐向雌鱼靠拢，开始别具一格地大跳呈之字形的舞蹈。舞蹈引诱雌鱼接近，直到两者合而为一。这种模式在许多动物的身上得到了重复，至于复杂的、显然以目标为导向的行为，则由组合的片断或子程序所构成，从个体角度而言，它们代表着“先天释放机制”。
    
    人类行为也是由复杂程序所构成的。对于我们的大部分生命而言，这些程序片断不是先天释放机制，相反，约翰·邓肯称之为“认知围栏”，即数量浩大、导致目标达成的专注认知步骤。在任何一个智力程序中，清晰可辨的认知围栏是快速地彼此接踵而至的。比方说在动身去上班的片刻，我们会伸手到口袋里摸索汽车钥匙；在另一个片刻，我们会挤进车座；再稍过片刻，我们就会因驶离车辆行列而确认红绿灯状况。
    
    将任务细分为有用的认知围栏，对于这种日常习见的场景是必不可少的，就像它对更多被我们视为“智能”的大脑活动，例如对数学题加以验算或理解穿越迷宫的规则一样。
    
    具有讽刺意味的是，从早期缺乏灵活性的马口铁盒到2010年问世的超速便捷式电脑，都表现出一种糟糕的倾向：无从胜任在人类看来微不足道的任务或子程序。计算机无法在熙来攘往的道路交叉口识别路标、步行者或汽车，也不可能通过阅读一段文本来构筑它所描绘的世界的图景。计算机擅长的是对复杂问题的解构，使它们经分割而形成各司其职、可独立解决的子问题，然后重新装配成一个秩序井然、以目标为导向的结构。这个凭经验来解构和装配的过程，我们人类能展示其中的某些段落。但对于像认知围栏之间的过渡等谜团，我们只是刚开始掌握其中的些许奥秘。
    
    线索源自许多场所。100多年来我们已确知的事实是：对一部分大脑皮层——前额后面的额叶——的损伤，会导致复杂思维和活动的结构趋于“懈弛”。例如甲方正在刨一块厚木料，却“忘了”歇手，不断地刨了又刨，直到长凳成形为止。又如乙方会列出一系列毫无条理的计算式，但就是解不了他所面临的数学题。这样的人在简单的认知测试中往往表现奇佳，却再也保不住职位或引领家庭生活。思维和活动的个别片断得到了保存，但整体的连贯性却丧失殆尽。
    
    利用现代核磁共振成像或功能核磁共振技术，我们可望深入窥探额叶的奥秘，更多地了解这一生物编程是如何运作的。之所以挑选智能测试中所用的某些简单任务（例如完成一系列的信件或从一组图像中选择剩下的一幅图），是因为它们可用来预测多种活动的成功与否，从基于实验室对语言或记忆的测定，到终身教育或工作成就，可谓不一而足。在功能核磁共振成像扫描中，我们从参与这些测试的人身上可以看清特定大脑网络的活动，连同额叶若干单独区域的组元。这个网络的活动还被视为大脑回应任何认知挑战的一部分，由此可见，有一个核心大脑系统在建立认知程序中起着举足轻重的作用。
    
    核磁共振成像还会告诉我们很多有关这些区域的编码状况。正如我们对一个可编程系统所期待的那样，网络会回应每个新的认知挑战，专注于控制当前行为所必需的特定信息，了解当前的认知片断或围栏的具体内容。
    
    神经网络由数亿个互不连接的神经元所组成，每个神经元细小得令人难以置信，却常对由它激励的电脉冲的具体信息进行编码。当蟾蜍觉察有虫子的时候，它会通过极具特色的运动作出反应：转身对着虫子，逐渐靠拢，头部固定在位，吧嗒一声张开它的下巴。
    
    约翰·邓肯在其新著中用整整3页的篇幅，详尽地描述了神经元是如何使这一切发生的过程：从激励单一的神经元而使一部分视域显示细长的虫状物象开始，直到整合不同种类允许蟾蜍吃掉虫子的信息为止。
    
    然而，即使是对这一相对较为简单的案例的解释，也暴露出我们依然存在的巨大知识缺憾。我们至今仍无法开始构建人工神经元网络，藉以模拟蟾蜍行为的复杂性。至于复杂程度令人叹为观止的人类智能，我们还是得在相当有把握的知识与未解谜团之间徘徊不止。从有利方面来看，我们确信刺鱼或蟾蜍的“先天释放机制”已被人类身上几乎是灵活多变的结构所取代，它着眼的目标从日常习见的活动到抽象推理，差不多涵盖了任何一类问题。
    
    我们可以看到，这些围栏是如何在大脑里被组装起来的，由此提供了本质上属于人类的智能元素。这是一幅局部的图景，恰似早期的世界地图：有些国家被清晰地勾勒出轮廓，有些国家无非是一张草图，还有一些国家被简单地标以“未知”的字样。然而，这是一幅终于开始实现拉什利梦想的图景。
    
    人类大脑已使我们得以理解原子和探索宇宙边界，但它的配置真的适合不受限制的观念化或理解吗？一个物种与所有其他物种的差异竟有如此悬殊吗？或者说，人类是否像所有其他物种那样，只能驰骋于自身的神经系统允许我们的想象呢？