《三腦論》
2011-5-16 15:59| 發(fā)布者: 智力工程| 原作者:智力工程徐章英顧力兵|
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目－－關(guān)于動物腦與人腦的猜想及其與電腦的比較
徐章英 顧力兵 （1992年發(fā)表于《自然辯證法》雜志第9期）
轉(zhuǎn)自思維資治網(wǎng)紀(jì)念錢學(xué)森網(wǎng)頁徐章英專欄
關(guān)于動物腦與人腦的猜想及其與電腦的比較(上）
徐章英 顧力兵
（1992年發(fā)表于《自然辯證法》雜志 ）
當(dāng)前，擺在我們面前的有兩種腦：天然腦和人工腦。天然腦主要是指脊椎動物的腦，即動物腦和人腦。人工腦，目前就是電腦。它可分為按馮·諾依曼機(jī)制工作的計(jì)算機(jī)及正在興起的模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 對于按馮·諾依曼方式工作的電腦（為敘述方便，以下凡未加說明的“電腦”一詞均指這種電腦）目前正處在全盛時(shí)期。它已滲透到各個(gè)最先進(jìn)的技術(shù)領(lǐng)域，成為現(xiàn)代化社會不可缺少的技術(shù)裝備。由于這種電腦的成功，人們甚至編了不少神話般的贊歌。但是，人們也越來越多地看到，一些在小動物面前輕而易舉的事，電腦卻畏為難題，不僅要采用繁瑣的步驟，復(fù)雜的運(yùn)算，而且得出的結(jié)果也未必理想。因此，自從電腦問世以后，人們總是頻頻地比較它與天然腦之間的差別，比較它們的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制，以便進(jìn)一步認(rèn)識動物腦和人腦，并進(jìn)行人工模擬，創(chuàng)制出更為新型的人工腦來?！ ?/font>
本文除了收集在很多文章中廣為比較的一些主要異同外，還提出了自已對天然腦的一些猜想，并與現(xiàn)行的電腦作一些比較，以便進(jìn)一步看到天然腦的一些重要特點(diǎn)及其與電腦的重大差別。
一、 腦的功能比較
天然腦本質(zhì)上是一種信息加工器官，而人工腦則是一種信息加工機(jī)器。人們對天然腦的認(rèn)識首先是從認(rèn)識它的功能開始的，接著深入地認(rèn)識它的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制。然而，由于天然腦是漫長自然歷史過程的產(chǎn)物，人腦更是勞動實(shí)踐和社會歷史的產(chǎn)物，具有無比的復(fù)雜性，我們對天然腦特別是人腦的認(rèn)識，雖然已積累了豐富的知識，但畢竟還是十分膚淺的。即便對天然腦的功能的認(rèn)識，我們了解得也還是很不夠的。就目前所知，從信息加工的角度來看，高等動物大腦和人類大腦，至少有以下相似功能:（１）接受來自感官的各種外來信息:（２）進(jìn)行信息的非邏輯加工，即大腦的信息加工過程不是遵循確定性的邏輯思維原則，而是直覺地經(jīng)驗(yàn)地和模糊地處理信息，包括條件反射式反應(yīng)的功能，在心理學(xué)上可能涉及從知覺、表象到再認(rèn)（直覺識別）這一類認(rèn)識功能；（３）存儲外來的經(jīng)過加工的信息；（４）能夠處于睡眠、覺醒和定向注意的狀態(tài)。其中睡眠狀態(tài)不僅是大腦肌體的代謝需要，而且也是大腦信息繼續(xù)加工和存儲轉(zhuǎn)換機(jī)制的需要；（５）情感性的行為反應(yīng)控制。 這些功能也就是高等動物腦的功能。高等動物，尤其是靈長類動物大腦的功能，在上述諸方面是十分接近人腦的，除了非邏輯加工功能外，已發(fā)生了準(zhǔn)邏輯加工功能及準(zhǔn)意識控制功能。其情感性的行為控制也變得十分復(fù)雜?！ ∪祟惔竽X的功能顯然要比上述這些方面復(fù)雜得多，主要體現(xiàn)在以下各項(xiàng)功能上： ?。ǎ保┚哂袑π畔⑦M(jìn)行篩選和回憶、鞏固的記憶功能； ?。ǎ玻┰诜沁壿嫾庸し矫?，具有復(fù)雜的回憶、聯(lián)想、想象等功能，這是創(chuàng)造性思維活動中十分寶貴的思維功能； （３）具有信息的邏輯加工能力，而且可以上升到具有語言文字的符號思維及辯證思維的能力； ?。ǎ矗┻M(jìn)入到信息加工狀態(tài)的最高層次──意識狀態(tài)的功能，大腦的意識狀態(tài)可以進(jìn)入，也可以退出，意識狀態(tài)的進(jìn)入必須處在覺醒狀態(tài)下才有可能，在意識狀態(tài)下的大腦至少能夠把認(rèn)識者自已和現(xiàn)實(shí)環(huán)境區(qū)分開來，即至少能夠知道自已的存在和現(xiàn)實(shí)時(shí)間、空間的存在，意識狀態(tài)有不同的水平級別，這與個(gè)體的認(rèn)識發(fā)展水平、知識水平及受教育情況等等有關(guān)，也與當(dāng)時(shí)的大腦覺醒程度有關(guān)，在意識狀態(tài)下執(zhí)行的行為控制便是意識控制，包括對意志、情感等等的心理控制；（５）形成目標(biāo)動力功能，產(chǎn)生諸如能動性、興趣、價(jià)值、理想和計(jì)劃行為等能力?！ ?/font>
由此可見，高等動物和人類大腦的功能，既有相同或相似的部分，又有不同的部分。這說明，人的大腦在功能上是動物大腦的繼承和發(fā)展。在那些相同的功能部分中，特別是定向注意、信息的非邏輯加工及情感性行為控制的功能，使人和動物有信息加工和控制功能方面具有一定的隨意性，即個(gè)體性和不確定性。這種隨意性雖是局部的，即局部的空間，局部的時(shí)間和局部的內(nèi)容方式，在總體上它受到各種主客觀條件的制約，但這種局部的隨意性卻體現(xiàn)出了智能生物的能動性特點(diǎn)，這是任何工具屬性的智能機(jī)器所無法比擬的。
人類大腦功能超過動物的部分，最重要是意識狀態(tài)和邏輯加工功能。高等動物只有意識的萌芽，或“畜群意識”。即便有爭奪、防御等等行為，也只是一種本能的反應(yīng)。人類的意識功能是后天獲得的，并非先天遺傳，但提供產(chǎn)生獲得性意識功能的最初生理?xiàng)l件是先天遺傳的。當(dāng)著人類的祖先開始參加勞動制造工具改造世界的時(shí)候，隨著大腦結(jié)構(gòu)的發(fā)展，意識功能也就萌發(fā)了。動物腦無法獲得意識功能。動物的行為控制只是本能的、條件反射的或情感性的，不是有意識的，也不是邏輯的，因此不可能是理智的。人腦在意識狀態(tài)控制下參與人的勞動實(shí)踐和社會生活，在觀念中很自然地形成價(jià)值觀、興趣與目標(biāo)，出現(xiàn)了目標(biāo)動力，從而產(chǎn)生巨大的人類的能動性。
人腦的邏輯加工功能也是后天獲提的，不是先天遺傳的。人腦的主觀邏輯和邏輯加工能力是客觀事物邏輯的反映，人腦的生理?xiàng)l件和工作機(jī)制提供了學(xué)習(xí)這種能力的可能性。而動物卻沒有或在靈長類中僅有極為簡單的邏輯加工能力。正是由于人腦具有邏輯加工能力，因而使人能夠深入事物內(nèi)部去認(rèn)識事物的本質(zhì)及其規(guī)律性?！ ?/font>
即便是在信息的非邏輯加工能力方面，動物腦也無法和人腦相比擬。人腦除了具有如知覺、表象、再認(rèn)一類較為簡單的非邏輯加工功能外，還具有高層次的如回憶、聯(lián)想和想象一類復(fù)雜的非邏輯加工功能。也因?yàn)檫@一點(diǎn)，人的創(chuàng)造性認(rèn)識可以逾越在一定的有限條件下邏輯所無法越過的認(rèn)識屏障，從而產(chǎn)生諸如直覺判斷或靈感一類的思維活動?！ ?/font>
由于人腦意識的出現(xiàn)，產(chǎn)生了巨大的能動性和目標(biāo)動力；又由于人腦學(xué)會了對信息的邏輯加工；再加上人腦復(fù)雜的高層次的非邏輯加工能力，從而使人腦具有選擇目標(biāo)，制訂計(jì)劃，并通過心理的與行為的控制去實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的那種高度的能動作用。這是人腦有別于動物腦和電腦的顯著特點(diǎn)?！ ?/font>
人類的言語能力也是人腦信息處理功能的顯著特點(diǎn)之一。除了靈長類動物有可能接受簡單的詞匯訓(xùn)練外，動物沒有言語能力，語言的出現(xiàn)表征人腦在邏輯加工能力上的一種飛躍，即能夠進(jìn)行抽象思維，而且能夠抽象到用語辭符號進(jìn)行思維。
電腦是人類對自己大腦的某些功能進(jìn)行模擬而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以電腦是人腦認(rèn)識的產(chǎn)物，與天然腦相比，電腦具有如下主要功能：（１）接受來自外部輸入設(shè)備的形式化信息；（２）存儲外來的和加工后的形式化信息，而且容量極大，存取方便、快速，可以重寫，也可以抹除，一經(jīng)存儲便可準(zhǔn)確而持久地保持；（３）進(jìn)行形式化信息的純二值邏輯或二進(jìn)制數(shù)字運(yùn)算，而且運(yùn)算速度快，準(zhǔn)確性和精度都很高:（４）接受并嚴(yán)格執(zhí)行外來指令和指令的集合（程序）；（５）向外部設(shè)備輸出形式化信息，包括傳送信息或?qū)嵭羞壿嬁刂??！ ?/font>
所謂“形式化信息”是指信號形式經(jīng)過特別約定的信息。這里指的是二進(jìn)制數(shù)、二值邏輯關(guān)系以及各種各樣用二進(jìn)制代碼定義的文字、符號、數(shù)字、指令和各種規(guī)范化的數(shù)據(jù)格式、命令格式等等。確實(shí)，經(jīng)過擴(kuò)充的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也可以接受各種各樣的物理模擬信號，但要經(jīng)過Ａ/Ｄ(模擬量/數(shù)字量）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量，再進(jìn)入主機(jī)運(yùn)算；也可以接受模糊輸入，但也要變換成確定的形式化信息并經(jīng)過模糊運(yùn)算，進(jìn)行實(shí)質(zhì)上的二值運(yùn)算。一切信息，進(jìn)入計(jì)算機(jī)界面內(nèi)執(zhí)行的是唯一的確定的二值運(yùn)算。這種確定性植基于計(jì)算機(jī)的極為簡單的二值邏輯結(jié)構(gòu)。而簡單性也就帶來了機(jī)器的種種優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，使電腦具有了機(jī)器的共同特點(diǎn)?！ ?/font>
雖然，電腦的上述功能十分簡單，但由于可以輸入和存儲程序，并執(zhí)行程序，因此只要精心構(gòu)筑程序，電腦便可做出如前所說的神話般的事來。但是，由于電腦的程序、指令都是人編的，它的一切結(jié)果都是可預(yù)料的，命定的。電腦只是起了一個(gè)智力杠桿的作用。電腦與天然腦相比，在功能上有以下重要差別：（１）沒有非邏輯加工功能，因而不會逾越在有限條件下邏輯的認(rèn)識屏障，沒有創(chuàng)造能力，也不會犯錯誤；（２）沒有意識功能，沒有現(xiàn)實(shí)感和隨意性，只是形式地、命定地加工信息:（３）沒有能動性的控制功能，因而也沒有目標(biāo)動力功能，不會給自己制訂沒有命令或沒有計(jì)劃過的計(jì)劃；（４）沒有定向注意功能，不會直覺地、主動地篩選輸入信息，電腦控制下的系統(tǒng)對待定信源的跟蹤完全是程序化的被動過程，并非定向注意功能；（５）沒有情感性的行為控制，因而沒有激情也沒有沮喪:（６）沒有除二值邏輯以外的邏輯加工能力，形式邏輯也只是在二值邏輯所表述的范圍內(nèi)被運(yùn)用，沒有辯證邏輯能力。
確實(shí)，當(dāng)前電腦已進(jìn)入了發(fā)展盛期，它將深入各個(gè)角落并溶化在各種裝置之中，它會做常人為之驚嘆的事情，但也越來越顯示出它不會做很多事情的局限性來。功能上的局限性來源于進(jìn)行機(jī)制和結(jié)構(gòu)上的局限性。所以，另一種非馮·諾依曼方式工作的電腦，即模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，正在日益為人們所重視。
模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種物理器件。它可以模擬單個(gè)的動物神經(jīng)元，也可以模擬由許多神經(jīng)元連接構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。模擬的神經(jīng)元（以下簡稱神經(jīng)元）可以模擬動物神經(jīng)元的簡單功能,而且也可以模擬它的某些工作機(jī)制,包括模擬它的樹突、軸突和細(xì)胞體對信息的處理功能。模擬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），隨著神經(jīng)元之間連接方式的不同，便具有很不相同的網(wǎng)絡(luò)特性，用來模擬不同功能的動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。也可以把具有不同連接方式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步組合起來，從而具有更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)功能。目前已知的各種類型模擬神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有如下各種不同的功能： ?。ǎ保┤后w協(xié)同的并行加工功能；（２）分布式的存儲功能:（３）簡單的形象感知和直覺的模式識別功能；（４）初步的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能；（５）低級的概括，類比和聯(lián)想功能?！ ?/font>
雖然有不少功能在馮·諾依曼方式的計(jì)算機(jī)中也可實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)的方式卻完全不同，功能上有著很大差別。模擬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更為接近動物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。例如：在存儲功能方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中沒有專門的存儲器，在加工信息的同時(shí)也就留下了存儲的痕跡，信息的存儲采用群體的分布方式，具有容錯和整體性優(yōu)點(diǎn)。而在計(jì)算機(jī)中使用專門的存儲器，整體信息被分解成各個(gè)部分，各自獨(dú)立地存在于存儲器中。又如，在學(xué)習(xí)功能和模式識別方面，雖然計(jì)算機(jī)在人工智能條件下也具有此功能，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)是采用并行加工方式，并且邊學(xué)習(xí)邊改變本身的網(wǎng)絡(luò)連接，具有建構(gòu)過程的模式和不可逆、直覺性的特點(diǎn)；其模式識別具有整體性的特點(diǎn)。在人工知能條件下的計(jì)算機(jī)則采用時(shí)間序列的繁復(fù)的邏輯過程，以此替代直覺，不僅效率低，很多場合也是行不通的。因而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)顯得高可靠、高效率、直接、模糊，更接近動物的認(rèn)識模式?！ ?/font>
綜上所述，動物腦和人腦的功能上有很多相似方面，又有本質(zhì)的差異方面；各種不同的人工腦在局部功能上正在越來越多地模擬著天然腦，很多方面甚至大大地超過了天然腦，但是模擬的功能范圍還相當(dāng)小，性能上有著本質(zhì)的巨大的差異，還有絕大部分天然腦的功能，至今還無法模擬出來。隨著人工腦在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)上的改進(jìn)，肯定還會模擬出更多的功能來的。但也可以預(yù)料，僅在功能上進(jìn)行模擬是一定會受到局限性的束縛而不可能模擬出全部功能來的。（待續(xù)）
