認(rèn)知科學(xué)

知覺信息的表達(dá)是知覺研究的基本問題，是研究其它各個(gè)層次認(rèn)知過程的基礎(chǔ)。 知覺過程是從那里開始的？外在物理世界的那些變量具有心理學(xué)的知覺意義？ 作為知覺的計(jì)算模型計(jì)算的對(duì)象是什么？這些圍繞知覺信息表達(dá)的問題是建立任何知覺和跟知覺有關(guān)的學(xué)說和理論模型， 無論是人類的還是計(jì)算機(jī)的，都必須首先回答的問題。知覺信息表達(dá)的研究可以有不同層次的問題， 包括諸如知覺組織的問題、知覺學(xué)習(xí)的問題、知覺動(dòng)態(tài)記憶的問題、以及面孔識(shí)別的問題等。
將在計(jì)算理論層次、 腦的知識(shí)表達(dá)層次和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)層次上， 把認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)視覺研究結(jié)合起來，將對(duì)上述科學(xué)問題提出嶄新的理論（或思想）和解決的方法。

學(xué)習(xí)是基本的認(rèn)知活動(dòng),是經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的積累過程，也是對(duì)外部事物前后關(guān)聯(lián)地把握和理解的過程，以便改善系統(tǒng)行為的性能。
學(xué)習(xí)的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)是神經(jīng)細(xì)胞之間的聯(lián)系結(jié)構(gòu)突觸的可塑性變化， 已成為當(dāng)代神經(jīng)科學(xué)中一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域。突觸可塑性條件即在突觸前纖維與相聯(lián)的突后細(xì)胞同時(shí)興奮時(shí), 突觸的連接加強(qiáng)。1949年，加拿大心理學(xué)家Hebb提出了Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，他設(shè)想在學(xué)習(xí)過程中有關(guān)的突觸發(fā)生變化， 導(dǎo)致突觸連接的增強(qiáng)和傳遞效能的提高。Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則成為連接學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由具有適應(yīng)性的簡單單元組成的廣泛并行互連的網(wǎng)絡(luò)。Kohonen提出自組織映射網(wǎng)絡(luò)。 Haken根據(jù)協(xié)同形成結(jié)構(gòu)，競爭促進(jìn)發(fā)展的規(guī)律，將協(xié)同的非線性動(dòng)力理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合， 提出了協(xié)同聯(lián)想記憶網(wǎng)絡(luò)。Amari提出用微分流形和統(tǒng)計(jì)推理來研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 在Amari理論的基礎(chǔ)上史忠植等提出了一種神經(jīng)場模型，由場組織模型和場效應(yīng)模型構(gòu)成。
感知學(xué)習(xí)是發(fā)生在感知水平上的學(xué)習(xí),主要研究如何從低級(jí)的傳感器輸入的原始數(shù)據(jù)獲取相關(guān)的抽象數(shù)據(jù)。感知學(xué)習(xí)主要考慮通過視覺和聽覺的學(xué)習(xí)，研究從非結(jié)構(gòu)與半結(jié)構(gòu)信息到結(jié)構(gòu)信息變換方法，研究圖像的語義描述及其快速提取技術(shù)，研究感知學(xué)習(xí)中的注意機(jī)制與元認(rèn)知等。
認(rèn)知學(xué)習(xí)理論認(rèn)為在人的行為背后都有一個(gè)相應(yīng)的思維過程，行為的變化是可觀察的，并且通過行為的變化也可以推斷出學(xué)習(xí)者內(nèi)心的活動(dòng)。在認(rèn)知學(xué)習(xí)理論中，如Ausubel提出的有意義學(xué)習(xí)理論（又稱同化理論），其核心思想是獲得新信息主要取決于認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的有關(guān)觀念；意義學(xué)習(xí)是通過新信息與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的概念相互作用才得以發(fā)生；由于這種相互作用的結(jié)果，導(dǎo)致了新舊知識(shí)意義的同化。Gagne提出的信息加工學(xué)習(xí)理論則將學(xué)習(xí)過程類比成計(jì)算機(jī)的信息加工過程，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)由感受登記器、短時(shí)記憶、長時(shí)記憶、控制器、輸出系統(tǒng)組成，認(rèn)知過程可分為選擇性接收、監(jiān)控、調(diào)節(jié)、復(fù)述、重構(gòu)。在這個(gè)信息加工過程中，非常關(guān)鍵部分是執(zhí)行控制和期望。執(zhí)行控制是指已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)過程的影響，期望是指動(dòng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)過程的影響，整個(gè)學(xué)習(xí)過程都是在這兩個(gè)部分的作用下進(jìn)行的。
內(nèi)省學(xué)習(xí)是一種自我反思、自我觀察、自我認(rèn)識(shí)的學(xué)習(xí)過程。在領(lǐng)域知識(shí)和范例庫的支持下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法的選擇和規(guī)劃，更好進(jìn)行海量信息的知識(shí)發(fā)現(xiàn)。
內(nèi)隱學(xué)習(xí)就是無意識(shí)獲得刺激環(huán)境復(fù)雜知識(shí)的過程。在內(nèi)隱學(xué)習(xí)中，人們并沒有意識(shí)到或者陳述出控制他們行為的規(guī)則是什么，但卻學(xué)會(huì)了這種規(guī)則。在80年代中期之后，內(nèi)隱學(xué)習(xí)成了心理學(xué)界、尤其是學(xué)習(xí)和認(rèn)知心理領(lǐng)域最熱門和最受關(guān)注的課題，成了將對(duì)認(rèn)知心理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的最重要課題之一。內(nèi)隱學(xué)習(xí)具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

人類進(jìn)化過程中，語言的使用使大腦兩半球功能分化。語言半球的出現(xiàn)使人類明顯有別于其他靈長類。一些研究表明，人腦左半球同串行的、時(shí)序的、邏輯分析的信息處理有關(guān)，而右半腦同并行的、形象的、非時(shí)序的信息處理有關(guān)。
語言是以語音為外殼、以詞匯為材料、以語法為規(guī)則而構(gòu)成的體系。語言通常分為口語和文字兩類�？谡Z的表現(xiàn)形式為聲音，文字的表現(xiàn)形式為形象�？谡Z遠(yuǎn)較文字古老，個(gè)人學(xué)習(xí)語言也是先學(xué)口語，后學(xué)文字。
語言是最復(fù)雜、最有系統(tǒng)、而應(yīng)用又最廣的符號(hào)系統(tǒng)。語言符號(hào)不僅表示具體的事物、狀態(tài)或動(dòng)作，而且也表示抽象的概念。漢語以其獨(dú)特的詞法和句法體系、文字系統(tǒng)和語音聲調(diào)系統(tǒng)而顯著區(qū)別于印歐語言，具有音、形、義緊密結(jié)合的獨(dú)特風(fēng)格。概念是反映事物的特有屬性的思維形態(tài)，概念與語詞有密切的聯(lián)系。概念的產(chǎn)生和存在，必須依附于語詞。語詞所以能夠表示其它事物，就是由于人們頭腦中有相應(yīng)的概念。所以，語詞是概念的語言形式，概念是語詞的思想內(nèi)容。
從神經(jīng)、認(rèn)知和計(jì)算三個(gè)層次上研究漢語，給予我們開啟智能之門極好的機(jī)遇。漢語的認(rèn)知心理學(xué)研究已有多年歷史，取得了世界一流的研究成果。但這些研究多側(cè)重于漢字與詞匯，對(duì)更高層次的句法和語句加工尚需深入探討。對(duì)整個(gè)言語鏈的研究還不夠系統(tǒng)，特別是對(duì)腦的語言加工機(jī)制知之不多。在智能系統(tǒng)領(lǐng)域，我國對(duì)漢語計(jì)算機(jī)信息處理極為重視，曾投入大量資金，支持計(jì)算語言學(xué)、機(jī)器翻譯和自然語言理解系統(tǒng)的研究和開發(fā)，取得了一大批重要成果。但就整體而言，語言信息的智能處理存在許多懸而未決的問題，其解決必須需要以認(rèn)知科學(xué)的研究為基礎(chǔ)，以新的理論為指導(dǎo)才有可能取得突破。
1991年Mayeux 和Kandel在Wernicke-Geschwind模型基礎(chǔ)上提出新的語言信息處理模型。聽覺輸入的語言信息由聽皮層傳至角回，然后至Wernicke區(qū)，再傳到Broca區(qū)。視覺輸入的語言信息直接從視覺聯(lián)合皮層傳至Broca區(qū)。對(duì)一個(gè)詞的視知覺與聽知覺是由感覺模式不同的通路相互獨(dú)立地處理的。這些通路各自獨(dú)立地到達(dá)Broca區(qū)，以及與語言含義和語言表達(dá)相關(guān)的更高級(jí)區(qū)域。大腦中語言處理通路的每一步工作機(jī)理都有待深入研究.
用數(shù)學(xué)方法研究語言，尋找語言結(jié)構(gòu)的形式、模型和公式，使語言的語法規(guī)則能象數(shù)學(xué)符號(hào)和公式一樣具有系統(tǒng)化、形式化的特點(diǎn)，可以用來生成無限的句子。美國著名語言學(xué)家Chomsky于1956提出了語言的形式文法,為語言信息處理建立了理論基礎(chǔ)。 1996年，Yip和Sussman提出在語音學(xué)規(guī)則中使用雙向約束傳播機(jī)理，可以解釋神經(jīng)水平的聽覺信號(hào)怎樣對(duì)應(yīng)思維層次的符號(hào)。

記憶是人腦對(duì)過去經(jīng)驗(yàn)中發(fā)生過的事物的反映，是新獲得行為的保持。由于記憶，人才能保持過去的反映，使當(dāng)前的反映在以前反映的基礎(chǔ)上進(jìn)行，使反映更全面、更深入。也就是有了記憶，人才能積累經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)大經(jīng)驗(yàn)。
人類記憶有三種類型：感覺記憶、短時(shí)記憶和長時(shí)記憶。刺激作用停止后，它的影響并不立刻消失，可以形成后象。視覺后象最為明顯。后象可以說是最直接、最原始的記憶。后象只能存在很短的時(shí)問，如最鮮明的視覺后象也不過持續(xù)幾十秒鐘，這就是感覺記憶。短時(shí)記億的時(shí)間間隔比感覺記憶的要長些。但是，存儲(chǔ)材料的時(shí)間也只有一分鐘左右，或者甚至更短些。長時(shí)記憶是指保持時(shí)間在一分鐘以上信息存儲(chǔ)。人類的記憶可以分為過程記憶和命題記憶。過程記憶是保持有關(guān)操作的技能，主要由知覺運(yùn)動(dòng)技能和認(rèn)知技能組成。命題記憶是存儲(chǔ)用符號(hào)表示的知識(shí)，反映事物的實(shí)質(zhì)。命題記憶更進(jìn)一步分為情景記憶和語義記憶。前者是存儲(chǔ)個(gè)人發(fā)生的事件和經(jīng)驗(yàn)的記憶形式。后者是存儲(chǔ)個(gè)人理解的事件的本質(zhì)的知識(shí)，即記憶關(guān)于世界的知識(shí)。
1974年，Baddeley和Hitch在模擬短時(shí)記憶障礙的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了工作記憶的三系統(tǒng)概念，用“工作記憶”代替了原來“短時(shí)記憶”的概念。Baddeley認(rèn)為工作記憶指的是一種系統(tǒng)，它為復(fù)雜的任務(wù)比如言語理解、學(xué)習(xí)和推理等提供臨時(shí)的儲(chǔ)存空間和加工時(shí)所必需的信息，工作記憶系統(tǒng)能同時(shí)儲(chǔ)存和加工信息，這和短時(shí)記憶概念僅強(qiáng)調(diào)儲(chǔ)存功能是不同的。工作記憶分成三個(gè)子成分，分別是中樞執(zhí)行系統(tǒng)、視空初步加工系統(tǒng)和語音環(huán)路。大量行為研究和神經(jīng)心理學(xué)上的許多證據(jù)表明了三個(gè)子成分的存在，有關(guān)工作記憶的結(jié)構(gòu)和作用形式的認(rèn)識(shí)也在不斷地豐富和完善。人們發(fā)現(xiàn)工作記憶與語言理解能力、注意及推理等聯(lián)系緊密，工作記憶蘊(yùn)藏智能的玄機(jī)。

50年代中期以來，隨著認(rèn)知心理學(xué)的興起，人們重新認(rèn)識(shí)注意在人類大腦信息加工中的重要性，提出了若干注意模型。其中有代表性的是注意的過濾模型和衰減模型，它們屬于知覺選擇模型。這兩種模型把注意機(jī)制定位于信息加工的知覺階段，在識(shí)別之前實(shí)現(xiàn)信息選擇。與知覺選擇模型形成對(duì)照的是反應(yīng)選擇模型，它認(rèn)為注意的作用不是選擇刺激，而是選擇對(duì)刺激的反應(yīng)。該模型認(rèn)為，所有的信息都可以進(jìn)入高級(jí)處理階段，但只有最重要的信息才會(huì)引起中樞系統(tǒng)的反應(yīng)。這兩類模型的側(cè)重點(diǎn)不同，知覺選擇模型強(qiáng)調(diào)集中注意，而反應(yīng)選擇模型則注重分配注意。兩者爭論的焦點(diǎn)是注意機(jī)制在信息加工中的位置。注意的中樞能量模型就是在這一背景下產(chǎn)生的。該模型的理論基礎(chǔ)是信息系統(tǒng)的有限加工能力。它避開了注意機(jī)制在信息加工中的位置這個(gè)難題，使知覺選擇模型和反應(yīng)選擇模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在形式上得到了統(tǒng)一；但缺點(diǎn)是沒有揭示注意所涉及的信息加工過程。
隨著腦成像技術(shù)和神經(jīng)生理研究的迅速發(fā)展，使得把注意網(wǎng)絡(luò)從其他信息處理系統(tǒng)中分離出來的努力成為現(xiàn)實(shí)。利用正電子斷層掃描(PET)和功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)，可以較精確地測量在完成特定的注意任務(wù)時(shí)大腦各區(qū)域腦血流的變化(rCBF)，從而確定各個(gè)注意子網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)構(gòu)和解剖定位。 80年代初期，Treisman提出的特征整合模型把注意和知覺加工的內(nèi)部過程緊密地結(jié)合起來，并用“聚光燈”形象地比喻注意的空間選擇性。根據(jù)這一模型，視覺處理過程被分為兩個(gè)相互聯(lián)系的階段，即預(yù)注意和集中注意階段。前者對(duì)視覺刺激的顏色、朝向和運(yùn)動(dòng)等簡單特征進(jìn)行快速、自動(dòng)的并行加工，各種特征在大腦內(nèi)被分別編碼，產(chǎn)生相應(yīng)的“特征地圖”。特征地圖中的各個(gè)特征構(gòu)成預(yù)注意的表象。預(yù)注意加工是一個(gè)“自下而上”的信息處理過程，并不需要集中注意。特征地圖中的各個(gè)特征在位置上是不確定的，要獲得物體知覺就需要依靠集中注意，通過“聚光燈”對(duì)“位置地圖”進(jìn)行掃描，把屬于被搜索目標(biāo)的各個(gè)特征有機(jī)地整合在一起，實(shí)現(xiàn)特征的動(dòng)態(tài)組裝。1989年， Gray指出集中注意可以引起與被注意事件相關(guān)的神經(jīng)元的同步發(fā)放，同步發(fā)放通常表現(xiàn)為40周左右的同步振蕩。這一發(fā)現(xiàn)為注意的特征整合模型提供了神經(jīng)生理證據(jù)。
根據(jù)已有的研究結(jié)果，Posner把注意網(wǎng)絡(luò)分為三個(gè)子系統(tǒng)：前注意系統(tǒng)、后注意系統(tǒng)和警覺系統(tǒng)。前注意系統(tǒng)主要涉及額葉皮層、前扣帶回和基底神經(jīng)節(jié)。后注意系統(tǒng)主要包括上頂皮層、丘腦枕核和上丘。警覺系統(tǒng)則主要涉及位于大腦右側(cè)額葉區(qū)的藍(lán)斑去甲腎上腺素到皮層的輸入。這三個(gè)子系統(tǒng)的功能可以分別概括為定向控制、指導(dǎo)搜索和保持警覺。

意識(shí)也許是人類大腦最大的奧秘和最高的成就之一。自1879年現(xiàn)代心理學(xué)建立以來，意識(shí)就成為心理學(xué)的主要研究對(duì)象。 James認(rèn)為，心理學(xué)是研究意識(shí)的科學(xué)。但由于方法問題，不可能對(duì)意識(shí)進(jìn)行具體的科學(xué)研究。 20世紀(jì)20年代興起的行為主義心理學(xué)，不承認(rèn)意識(shí)的存在。50年代出現(xiàn)的認(rèn)知心理學(xué)重新提出意識(shí)問題，并且從知覺和覺知入手研究意識(shí)。對(duì)知覺的研究已取得較大的進(jìn)展，但目前對(duì)覺知及其它問題的研究仍處于初步階段。
對(duì)意識(shí)給予統(tǒng)一、確切的科學(xué)定義在當(dāng)前是十分困難的。不同的領(lǐng)域，對(duì)意識(shí)的理解也是不同的。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Crick認(rèn)為，意識(shí)所涉及的是注意和短時(shí)記憶相結(jié)合的神經(jīng)機(jī)制，可以用科學(xué)的方法去研究[4]。Crick關(guān)于意識(shí)的驚人假設(shè)和通過視覺注意和短時(shí)記憶研究視覺意識(shí)的具體建議，引起了大批認(rèn)知心理學(xué)家、神經(jīng)科學(xué)家和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家的廣泛興趣。
80年代末90年代初在視覺生理研究方面有一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)：從不同的神經(jīng)元的發(fā)放中記錄到同步振蕩現(xiàn)象，這種大約40Hz的同步振蕩現(xiàn)象被認(rèn)為是聯(lián)系不同圖像特征之間的神經(jīng)訊號(hào)。Crick和Koch提出視覺注意的40Hz振蕩的模型。并推測神經(jīng)元的40Hz同步振蕩可能是視覺中不同特征進(jìn)行“捆綁”的一種形式。至于“自由意志”，Crick認(rèn)為它與意識(shí)有關(guān)，牽涉到行為和計(jì)劃的執(zhí)行。
另一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Eccles，熱衷于意識(shí)問題的研究。他與哲學(xué)家Popper合著的“自我與大腦”一書中，發(fā)表了“三個(gè)世界”的哲學(xué)觀點(diǎn)。認(rèn)為世界1包括所有物質(zhì)世界(大腦也在內(nèi))，世界2包括人的精神世界，世界3包括人的社會(huì)、語言、科學(xué)、文化等活動(dòng)。他后期的著作中，根據(jù)神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，提出“樹突子”(dendron)的假設(shè)，樹突子是神經(jīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能單元，由100 個(gè)左右頂部樹突構(gòu)成。估計(jì)在人腦中有40萬個(gè)樹突子。他進(jìn)而又提出“心理子”(Psychon)的假設(shè)，世界2的心理子與世界1的樹突子相對(duì)應(yīng)。由于樹突中的微結(jié)構(gòu)與量子尺度相近，所以量子物理有可能用于意識(shí)問題。
意識(shí)是一個(gè)復(fù)雜的問題，應(yīng)該找一個(gè)切入點(diǎn)，并且結(jié)合當(dāng)前可用的技術(shù)手段進(jìn)一步深入地研究。研究意識(shí)可以將覺知（awareness）和非覺知作為切入點(diǎn)，找到神經(jīng)相關(guān)物在腦活動(dòng)中的區(qū)別。