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？ 作為知覺的計算模型計算的對象是什么？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、知覺動態(tài)記憶的問題、以及面孔識別的問題等。
將在計算理論層次、 腦的知識表達(dá)層次和計算機(jī)實現(xiàn)層次上， 把認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實驗研究和計算機(jī)視覺研究結(jié)合起來，將對上述科學(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,是經(jīng)驗與知識的積累過程，也是對外部事物前后關(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)胞同時興奮時, 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。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、短時記憶、長時記憶、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)驗對當(dāng)前學(xué)習(xí)過程的影響，期望是指動機(jī)系統(tǒng)對學(xué)習(xí)過程的影響，整個學(xué)習(xí)過程都是在這兩個部分的作用下進(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)識的學(xué)習(xí)過程。在領(lǐng)域知識和范例庫的支持下，系統(tǒng)能夠自動進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法的選擇和規(guī)劃，更好進(jìn)行海量信息的知識發(fā)現(xiàn)。
內(nèi)隱學(xué)習(xí)就是無意識獲得刺激環(huán)境復(fù)雜知識的過程。在內(nèi)隱學(xué)習(xí)中，人們并沒有意識到或者陳述出控制他們行為的規(guī)則是什么，但卻學(xué)會了這種規(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)具有以下三個特點：

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。口語遠(yuǎn)較文字古老，個人學(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)用又最廣的符號系統(tǒng)。語言符號不僅表示具體的事物、狀態(tài)或動作，而且也表示抽象的概念。漢語以其獨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)知和計算三個層次上研究漢語，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，對更高層次的句法和語句加工尚需深入探討。對整個言語鏈的研究還不夠系統(tǒng)，特別是對腦的語言加工機(jī)制知之不多。在智能系統(tǒng)領(lǐng)域，我國對漢語計算機(jī)信息處理極為重視，曾投入大量資金，支持計算語言學(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)。對一個詞的視知覺與聽知覺是由感覺模式不同的通路相互獨立地處理的。這些通路各自獨立地到達(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)符號和公式一樣具有系統(tǒng)化、形式化的特點，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)水平的聽覺信號怎樣對應(yīng)思維層次的符號。

記憶是人腦對過去經(jīng)驗中發(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，擴(kuò)大經(jīng)驗。
人類記憶有三種類型：感覺記憶、短時記憶和長時記憶。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。短時記億的時間間隔比感覺記憶的要長些。但是，存儲材料的時間也只有一分鐘左右，或者甚至更短些。長時記憶是指保持時間在一分鐘以上信息存儲。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，主要由知覺運動技能和認(rèn)知技能組成。命題記憶是存儲用符號表示的知識，反映事物的實質(zhì)。命題記憶更進(jìn)一步分為情景記憶和語義記憶。前者是存儲個人發(fā)生的事件和經(jīng)驗的記憶形式。后者是存儲個人理解的事件的本質(zhì)的知識，即記憶關(guān)于世界的知識。
1974年，Baddeley和Hitch在模擬短時記憶障礙的實驗基礎(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)和推理等提供臨時的儲存空間和加工時所必需的信息，工作記憶系統(tǒng)能同時儲存和加工信息，這和短時記憶概念僅強(qiáng)調(diào)儲存功能是不同的。工作記憶分成三個子成分，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，在識別之前實現(xiàn)信息選擇。與知覺選擇模型形成對照的是反應(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)入高級處理階段，但只有最重要的信息才會引起中樞系統(tǒng)的反應(yīng)。這兩類模型的側(cè)重點不同，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難題，使知覺選擇模型和反應(yīng)選擇模型的實驗結(jié)果在形式上得到了統(tǒng)一；但缺點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。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)時大腦各區(qū)域腦血流的變化(rCBF)，從而確定各個注意子網(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相互聯(lián)系的階段，即預(yù)注意和集中注意階段。前者對視覺刺激的顏色、朝向和運動等簡單特征進(jìn)行快速、自動的并行加工，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”。特征地圖中的各個特征構(gòu)成預(yù)注意的表象。預(yù)注意加工是一個“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“位置地圖”進(jìn)行掃描，把屬于被搜索目標(biāo)的各個特征有機(jī)地整合在一起，實現(xiàn)特征的動態(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，意識就成為心理學(xué)的主要研究對象。 James認(rèn)為，心理學(xué)是研究意識的科學(xué)。但由于方法問題，不可能對意識進(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)意識的存在。50年代出現(xiàn)的認(rèn)知心理學(xué)重新提出意識問題，并且從知覺和覺知入手研究意識。對知覺的研究已取得較大的進(jìn)展，但目前對覺知及其它問題的研究仍處于初步階段。
對意識給予統(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，對意識的理解也是不同的。諾貝爾獎獲得者Crick認(rèn)為，意識所涉及的是注意和短時記憶相結(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)于意識的驚人假設(shè)和通過視覺注意和短時記憶研究視覺意識的具體建議，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。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)為它與意識有關(guān)，牽涉到行為和計劃的執(zhí)行。
另一位諾貝爾獎獲得者Eccles，熱衷于意識問題的研究。他與哲學(xué)家Popper合著的“自我與大腦”一書中，發(fā)表了“三個世界”的哲學(xué)觀點。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、語言、科學(xué)、文化等活動。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 個左右頂部樹突構(gòu)成。估計在人腦中有40萬個樹突子。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問題。
意識是一個復(fù)雜的問題，應(yīng)該找一個切入點，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。研究意識可以將覺知（awareness）和非覺知作為切入點，找到神經(jīng)相關(guān)物在腦活動中的區(qū)別。