集智俱樂部 © doellerlab.com 導語 腦科學最新進展表明,獨特的幾何空間資訊表徵,才是人腦難以被機器超越的關鍵。 而這一套內置於大腦海馬體的 『GPS定位系統』,功勞不僅在表達物理位置,還在於構建人腦的認知空間——表達抽象概念、梳理人際距離、應對陌生環境,甚至關乎人類高階認知能力。 對此的一系列探索,將對搭建新型的人工智慧框架有重要啟示。 人腦的「特異功能」: 幾何空間認知 瑞典哲學家、認知科學家Peter Gärdenfors(彼得·格登福斯)| © researchmagazine.lu.se 2014年,Peter Gärdenfors去波蘭的克拉科夫參加一個有關人類心智研究會議,在雅蓋隆大學(Jagiellonian University) 進行一次由哥白尼跨學科研究中心安排的演講,講述認知空間理論。 十多年來,Gärdenfors 一直致力於認知空間理念的研究——它解釋了我們的大腦如何表徵概念和物體。 在 2000 年出版的《Conceptual Spaces》一書中,他寫道——長期以來,認知科學中的一個普遍偏見是,認為大腦要麼是一個運用符號的圖靈機,要麼是聯接主義意義下的一個神經網路系統。 在克拉科夫的會議上,Gärdenfors 反對這些偏見。 在演講《思維的幾何學》中,他提出,人類能夠做到今天強大的計算機都無法做的事情,比如快速學習語言,比如從細節上輕鬆進行歸納(不經過太多訓練,就認識到獅子和老虎是四條腿的貓科動物),是因為—— 在表徵幾何空間資訊上,人腦有不同於計算機的表徵方式。 新證據! 概念與空間表徵「同源」 在 2018 年《科學》雜誌上,三位神經科學家 Jacob Bellmund, Christian Doeller 和 Edvard Moser 聯合發表的一篇論文中 ,他們以腦科學的最新研究進展支援了 Gärdenfors 的觀點。 該文證明,大腦對各種概念的表徵方式與空間位置是相同的,均透過使用相同神經迴路——一套內建大腦的 GPS定位系統。 論文題目: Navigating cognition: Spatial codes for human thinking 論文地址: 相關報導: http://nautil.us/issue/58/self/the-surprising-relativism-of-the-brains-gps ©nautil.us Bellmund 表示,「認知空間是描述我們大腦如何組織世界知識的一種方式」。 這種方式不僅涉及位置資料,還包括物件和體驗之間的關係,「許多不同群體的證據表明,海馬體中的空間編碼準則似乎不僅僅涉及空間導航問題」。 換句話說,海馬體的位置細胞(place cells)和網格細胞(grid cells)不僅對映物理空間,還能對映概念空間。 我們對物體和概念的表達似乎與我們對空間的表達是緊密相連的。 對這些「位置細胞」如何工作的解釋如此讓人令人震驚,相關研究的科學家 John O』Keefe, May-Britt Moser, 和 Edvard Moser 也因此被授予了 2014 年諾貝爾生理學或醫學獎。 譯註: Gärdenfors 的理論不僅為認知科學家,也為神經學家和機器學習研究指引出了一條有效的研究進路。 「位置細胞」如何工作 幾十年來的研究發現,大腦中的區域——海馬體和內嗅皮層,就像 GPS 一樣。 這些細胞讓大腦構建了對周圍環境類似網格一樣的描述,並隨後持續跟蹤其位置。 具體來說,內嗅皮層中的神經元是在空間均勻分佈的位置啟用:例如在促使這些細胞啟用的環境中,你在大腦每個啟用的細胞位置之間畫線,你最終會畫出一個三角形或六邊形網格。 在這些恰如其名的「網格」細胞活動中,也包含了另一種反映你身體特定位置的資訊。 只有當你處在物理空間中某個特定方位或座標時,表徵的網格細胞們才會啟用,並且由頭部方向細胞定義了你大腦的指向。 此外還有一些細胞,提示你是否處於邊界——例如牆或懸崖。 對齧齒類動物的大腦建模已經闡明瞭大腦空間網格細胞的性質,而透過功能性磁共振成像(fMRI),它們在人類大腦中的存在也同樣已得到證實。 六邊形網格 ©nautil.us 心理影像與人際距離 最近的 fMRI 研究顯示,認知空間存於大腦海馬體網路中——支援它作為大多數潛意識心理活動加工核心的觀點。 例如,在2016 年一項由牛津大學神經科學團隊主導的研究課題中,對受試者展示了一段鳥的頸部和腿尺寸變化的影片。 之前,他們已經學會了將一種特殊的鳥形狀與聖誕標誌聯絡起來,如聖誕老人或薑餅人。 研究者發現,受試者在一張非二維空間地圖上建立了「心理影像」之間的聯絡,fMRI 資料中網格細胞的響應情況表明,這與受試者想像自己在物理環境中行走時所看到的極其類似。 這種心理過程也可以解釋我們對家人和朋友的看法是怎麼形成的。 Doeller 說,我們可能會根據他們的身高、幽默程度或收入來想像他們,將他們編碼為高或矮、幽默或無趣,貧窮或富有,並且被取決的任一維度此時都很重要,因為大腦會根據這些維度,把不同朋友存到更近或更遠的心理距離上。 「結構化」大腦應對陌生環境 但認知空間的作用遠不止於對已熟悉的物體進行比較。 「這些認知空間對我們有用的另一面是,當我們遇到一些從未見過的事物時,」Bellmund說,「基於新事物的特徵,大腦可以將它們迅速定位於在認知空間中,然後我們就可以使用已有的知識來推斷在這種新穎情況下該如何進行表現」。 大腦以這種結構化的方式表達知識,使我們能夠知曉在新環境中應該如何開展行動。 多層次抽象資訊的表達 對資料進一步分析表明,這些大腦區域還可以表徵不同抽象層次的資訊。 想像你的眼睛穿過大腦的海馬體,從頭頂往下巴方向,你會發現許多不同的位置細胞組都完全映射了整個環境,但卻具有不同的放大尺度。 換句話說,穿過海馬體就像放縮你手機的地圖應用一樣,單個位置細胞表徵的空間區域會不斷被放大。 這種尺度的差異可能是人類能在較低和較高的抽象水平認知之間移動的基礎——從「狗」到「寵物」到「活物」。 在認知空間中,較小的位置細胞群表徵由更多型別組成、相對更寬的範疇,而放大的位置細胞們則代表更窄的概念。 埃舍爾畫作《異度空間Ⅱ》(Other World Ⅱ ) 活躍細胞有「專攻」 然而要知道,我們頭腦不僅能夠進行概念抽象,還非常靈活,能表徵更加廣泛的概念。 要做到這點,大腦的相關區域就需要能夠在不同概念之間進行切換,而不會有任何資訊的交叉汙染,假如我們對鳥類概念會受到汽車概念的影響,那就太糟糕了。 對齧齒類動物研究發現,當動物進行新環境遷移時——例如從藍色籠子到佈滿黑牆的實驗室,不同環境中活躍的位置細胞是彼此無關的。 研究者們標記了在一個環境位置中活躍的細胞,並將其與另一環境中的細胞活動進行了比較:如果細胞在藍色籠子和黑色房間裡都活躍,則表明環境之間可能存在交叉汙染。 但研究者們沒有發現位置細胞的活動有任何這種環境相關性。 因此,大腦的海馬體似乎能夠表徵兩種不同環境,而不會使二者混淆。 位置細胞的這種特性就可用於構建認知空間,顯然這種能避免交叉汙染的特性是極為必要的。 「透過綜合前面所有這些發現」,Bellmund 說「我們可以得出這樣的假設,即我們大腦中儲存了一張心理地圖,不管我們是在思考真實空間,還是思想中不同維度的空間。 」 啟用的網格細胞,呈六邊形「蜂窩狀排布」 人腦高階認知能力正待揭秘 科學家們仍然需要進一步透過實驗驗證海馬體和人類高階認知功能之間的聯絡。 像牛津大學的研究組那樣的功能磁共振成像研究,目前階段還只是啟示性的,研究者們總結,「儘管從粗粒的 fMRI 訊號,我們已經可以謹慎得出神經編碼水平的一些結論,如非空間認知過程中的異常精確的六邊形調製訊號」。 但我們還不知道位置細胞是否真的是處在認知空間中的特定位置來代表物體。 在人類受試者的實驗中揭示這一點有些困難,因為需要異常精細解析度的大腦成像。 對此高解析度功能磁共振成像的最新進展可能會為此提供解決方案。 不過還是 Bellmund 指出,對高階認知,透過對齧齒動物研究也可以揭示認知空間的存在。 例如,2017年的一篇論文指出,老鼠大腦中位置細胞可以形成聲音訊率圖,海馬體中的不同細胞響應不同的聲音訊率,從而形成一個聲音的認知空間。 進一步對人類的研究發現,海馬體中這種網格狀的活動,在人類大腦皮層的其他部分也有出現。 因此,雖然可能非常複雜,但人類的高階認知能力也許就來自大腦幾個部分間的這種互動作用。 埃舍爾鑲嵌圖形 © artprojectsforkids.org Gärdenfors 的理論不僅為認知科學家,也為神經學家和機器學習研究指引出了一條有效的研究進路。 雖然這目前還是一幅尚未完整、總體粗糙的草圖,還需要進一步改進和細化。 但不管怎樣,正如 Gärdenfors 和 Bellmund 所言,認知空間不僅是「人類思維領域的通用格式」,一個「核心總體框架」,也可以在幫助我們揭開神經退行性疾病(如阿爾茨海默氏症)的起因,以及在「啟發新型架構的人工智慧」等各種科學領域實踐上起到重要作用。 翻譯:十三維 編輯:王怡藺 閱讀原文: 集智俱樂部QQ群|877391004 商務合作及投稿轉載|swarma@swarma.org 加入「沒有圍牆的研究所」 讓蘋果砸得更猛烈些吧! 《想法的幾何學:大腦如何構建內在的意義宇宙?》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
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想法的幾何學:大腦如何構建內在的意義宇宙?
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