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神经网络与高级思维2007(4)

2、 认知

有一个低等生物海兔的记忆试验:海兔本身具有被触摸(水管部分)后的鳃缩反射,但连续十几次的刺激后,鳃缩反应就逐渐减慢.经过研究发现,海兔的习惯化是由于神经递质发生变化所致.进一步的研究发现这种变化是突触中的感觉神经元的Ca离子门关闭,导致递质的释放量减少所致.上述试验说明简单的记忆与神经递质和突触有关.又如大鼠的大脑皮质切除试验:用迷宫训练大鼠,如果大鼠学会并记住顺利走出迷宫的道路后,切除它的大脑皮质,记忆就会消退.不论切除的是大脑皮质的哪一部分,总是切除的多,记忆消退的多;切除的少,记忆消退的就少。

首先,认知通常强调的是结果,是神经网络定型后的结果。神经网络的定型过程就是认知的建立过程,也就是生物个体的学习过程,它同时表现了出生物的记忆过程。定型好的神经网络对触发信息的处理过程即反射过程,就是记忆的提取过程,也正是通过这一过程反映出了认知的存在。

生物个体对客观事物的认知可以解释为:客观事物在主观意识中形成了表象,并且该表象与一系列的活动(生理的或心理的)相联系。换句话说,某一客观事物的信息如果经过大脑处理能够引发出一系列的动作(这是一种反射现象,符合前面对反射的定义),我们就可以说对这一事物已经认知了。

行为主义与符号主义中对认知建立过程中所显现出的记忆现象都有很详细的类别划分,其中每一种记忆类别都仅与一种认知的建立模式相对应。所以,与其用记忆类别来划分还不如用认知类别来划分更为合理,在这里由于篇幅所限,我仅将认知简单概括为以下三种类别:物体认知、事件认知以及两种认知的衍生产物抽象事物认知。

a、 物体认知

感受外界客观环境最简单的办法是通过感官直接去“接触”物质对象,并通过大脑处理,并最终导致一个或一系列的结果,这种因果过程就是对客观物体的认知。如:看到一个苹果,我们产生了拿的动作,同时也可以产生许多其他的动作如激活色彩感觉中枢、激活味觉中枢等等,当可以有这些动作产生时,就完成了对苹果的认知。

下面我们将详细讲解神经网络对物体认知的描述。

一个输入集合I(触觉、视觉等的感应细胞构成的集合或是处于某一层次上的神经元集合)对之内两个不同区域(A、B)的刺激做出相应Y与X两种不同反应的神经处理过程, 如图2。


图2的a、b、c为三种AB可能存在的输入情况。图2a中A、B分别对应Y、X,神经链路没有重叠,刺激A时得到Y的输出,刺激B时得到X的输出,结果不会出现问题,请注意:带有方向的黑线只是代表逻辑上的链路,在实际中,链路与链路之间有质的区别,这里只做简单的等价说明,用数量表示质量。图2b中A、B间有了交叉,在处理过程中,当A受到刺激会产生Y的输出,同时会有三条逻辑链路去刺激X,但做为X的全部决定因素,这三条相比从B到X余下的空闲联络,只占很小的一部分,它们还不足以激活X,所以分别刺激A、B仍然会得到正确的输出。对于X这种在某一层次上的输出神经元来说,是否能被激活,主要取决于所有处于不同状态的输入链路的能量对比,在这里能量被量化为逻辑链路的数量,这样每个神经元对值的判断则等价为判断处于激活状态的逻辑链路数是否过半。此类神经链路就是兴奋类传导神经网络,单纯采用此类神经链路的系统只需要根据相应刺激感受区域是否有刺激发生,就可以得出正确的输出结果,但是在图2c中,刺激区域A包含着B的情况下,如果刺激B区会有正确输出X,然而如果刺激A区则会出错,Y与X会同时有效,这时我们就需要一种链路来阻止这种错误的发生,这就是抑制类神经链路,如图2c中的虚线箭头所示,抑制类逻辑链路只起到冲减、抵消兴奋类逻辑链路数量的作用,使得X在冲减后的兴奋链路合计数小于阀值,从而达到唯一正确输出Y得目的。

在图2中列举的神经网络认知模式中,虽然只涉及到了输入与输出,但在两者之间已经包含了计算的成分,或是说承担了传递计算的功能,此外不难发现:能够对某一物体认知,必须要首先区分开其他物体,尤其是符合图2c中的情况,物体间的差异正好可以满足这一需求。这样,即使是从同一个感官传来的信息,也能做到很好的区分。

当认知的对象较为复杂时(如苹果),对象包含有各种各样的属性,其中的每一种属性的响应过程,在局部都遵循着反射的定义。当在某一时刻,与苹果相关的各种属性的神经子网络被大部分激活时,苹果的表象就成了焦点。更确切的讲是,感官捕捉的信息在传递的过程中,经过了代表各种属性的神经子网络,一些属性因条件不满足而停止传递,最后由可以通过的(即被确认的属性)神经子网络继续向后传递,最后再引发一系列的动作,其中反射可以指局部的传递(单个属性的确认),也可以指整个传递过程(看到苹果后,可以去拿可以去想等等)。

苹果在人脑中形成的表象,其实就是指感官根据苹果实物产生的电信号所能经过的神经链路,神经链路与神经网络的关系相当于行走路径与公路网的关系。此外其他的神经区域输出的电信号如果在传递过程中也能引发出与前面提到的“苹果神经链路”相同或相似动作或是功能的话,也可以说是形成了苹果的表象,这种现象可以使我们认知客观世界不存在的事物或个体自身从未接触过的事物。

b、 事件认知

任何事物在一段时间内发生了变动,在这里都可以被称之为事件。因果关系同样也具备事件的属性,如果能深入分析一下各种事件的过程,基本上都能找到因果关系的影子。在前面对物体的认知中,我们知道了神经网络认知物体是以因果关系的方式建立的网络链路,为了不引起混淆,下面以因果关系为认知对象的,我们用事件来代替,对事件的认知过程,近似于对物体的认知过程,相当于把事件等同于物体,由于事件具有时间性,所以神经网络就必须能够处理时间问题。

神经元的形状各异,轴突有长有短,且对信息的加工时间与传递速度也各不相同,这样对同一起点不同的传递路径,信息的传递速度可能不同。还以图2为例,现在假设每一个箭头除了代表一个神经元连接外,还代表一个单位传递时间,当首先刺激A区后并在第二个单位时间内刺激B区,将两次触发过程当作一个事件,导致一个输出Y;同法当先刺激B区,然后在刺激A区时会有另一个输出X ,如图3

根据这种通过神经链路上神经元个数进行延时的方法,任何处于时间片段上的信息都可以被处理。我们再举个更加复杂的例子,单输入神经元网络对摩尔斯电码的识别与重现。

   假设输入神经元为A,按严格的尔斯电码规则来刺激该神经元,最后由神经网络得出字符序列,如图4


当A收到刺激信号时,将信号广播给不同的识别群体,图4中只给出了其中的一个网络群体,给出的这个群体只能认识字符“b”即电码“—…”。为了简化说明,图4中舍弃了每个神经元的其他输入输出链路以及相关的抑制链路,所以图中的每一个指向神经元的箭头均存在着“与”的逻辑运算关系,在这里它们不表示逻辑数量。

由图4可以看出,先收到的信号经过较多的传递神经元进行延时,再连同后面收到的信号一起同时传递到结果输出上,这样处于时间片段上的信息就可以被当作是一个整体来进行处理。粗虚线上半部分为输入识别部分,下半部分为信息重现部分,仔细观察就会发现,两部分的神经链路并不是互成镜像,输入为前端延时,依次为:1、3、5、7、8、9,输出为后端延时,依次为:9、7、5、3、2、1,所以认识事物与应用事物是由两套不同的神经网络来控制完成的。图4中的两条倾斜细虚线是一个虚拟的标示线,从某种意义上讲这里是事物的表象层,中间本应该是更加复杂的表象处理网络,在这里只简单的假设性的给出了表象输出与输入。

c、  抽象概括与抽象描述

对事物(事件、物体)的认知,使我们得以在大脑中建立出与客观世界相对应的表象,作为记录事物表象的神经链路网上的每一个分支与合并都可能是事物在不同层次上的一种“特征的概括与描述”(参见图3左图)。

神经网络在认知新的事物时,输入信息总是尽可能的使用已存在的网络链路进行传递处理,当处理不足以产生正确的结果时才在信息的中断处搭建新的网络连接。在局部,如果已存在的网络链路可以被使用,那么这部分网络结构通常是一种共性的表达,当这种表达随着同类认知的增加而逐渐完善时,就可以作为一种属性的表象,这在主观上是一种抽象概括的过程。

例如,对苹果的认知,“苹果”本身是一个概括出来的词汇,它不具体指哪一个苹果,但在认知若干个具体苹果的过程中,与各个苹果相对应的神经链路的共用部分被逐渐加强,这部分神经网络就可以说是“苹果”这一概念的表象区域。此外,神经网络结构不光能实现对有形的抽象概括,也可以对无形的加以抽象概括,例如“水果”的表象,这一表象的形成可以说是用若干不同种类的水果培养出来的,也可以说是由“苹果”、“梨”等等表象的神经链路的共用部分完善而成的,后一种方式可以理解为抽象概括可以建立在另一种抽象概念之上,即对无形的事物也可以做抽象概括。换个角度讲,这些抽象出来的表象本身就是一种有形的物质,它是由若干神经元搭建起来的网络系统,是客观存在的东西,这样的话就与第一种方式相一致了。

语言是生物间交流的工具,是生物为了更好的适应周围的环境而进化产生的,在这里它包含有声音、文字、动作、行为以及低等生物的化学接触等等内容。就拿我们人类来说,每一个发音、每一个文字符号都可以说是对应着一种表象,这个表象可以是抽象出来的也可以是具体事物产生的。语言是通过触发来进行工作,当然也可以说是一种反射或是因果现象。无论是说还是听,也不论是写还是看,对于说或者是写这种输出性质的处理,可以解释为某个表象被激活时,它又被作为输入信号沿着该表象至发音或是运动器官间的语言神经链路传递电信号,直至发音或是运动器官做出相应的动作。听与看也是如此,感官接收到信息后传递直至激活某一个表象区域(请参见图4)。语言与表象之间广泛存在着对等映射关系,它可以使我们能够直接去运用语言来进行思维,即便是表象与输入输出没有语言神经链路对应关系的,如果需要我们也会临时的建立起语言神经链路,如本文中说的图几图几、这个那个等等,或者用相关的有语言链路的表象通过塑造、阐述、刻画、定位等等方式来体现或是建立该表象,这种建立神经链路的过程往往体现出不同种类的记忆模式。

生物的记忆过程与机械的存储过程原理基本相同,都是通过改变载体的性状来表达的,只是生物是通过神经网络的响应过程来表达或再现记忆的内容,就是说该神经网络的连接结构就反映着记忆的内容,所以生物的记忆过程就是建立特定连接方式的神经网络的过程,而提取过程就是激活这部分神经网络的过程。一旦载有相关记忆内容的神经网络结构被确定时,能量只能体现在信息的提取与再现上,当然维持这种结构也需要一点能量,不然神经元就饿死了:)注意:这里强调的是“过程”。
 

生物的认知过程对外表现为学习过程,对内表现为神经网络的建立及使用过程,在学习过程中往往会同时伴随着反馈过程(内反馈或外反馈),生物从外界获得信息,传递处理后再作用给外界,并同时获取作用后新的信息,周而复始的运做,这就是外反馈过程。外反馈过程是依靠外界因素帮助或是引导或是促使生物个体建立起能与环境相协调运做的神经网络系统,主观上我们称之为“教育”。内反馈主要体现在我们的思维活动上,通常外界事物在大脑中存在着对应的表象,被外反馈完善了的事物表象之间同样可以建立起互动联系,比如讲一个事物的表象被激活(输入),引发其他的表象也被激活(输出),这些被激活的表象同样也可以作为输入去激活先前的或是其他的表象,然后周而复始的运做,使得信息得以在脑内进行反复的处理。内反馈过程实际上就是一种“自学”的过程,但它的激发源头必定是与外界有关,并且最终要作用于外界,所以说内外反馈往往是兼而有之的。

在认知过程中随着内反馈的素材(表象)不断增多,生物个体渐渐能够认知自身与外界间的互动关系,自我意识也就随之产生,同时我们用以进行思维的素材及其运作方式,如概念,词汇以及由这些材料所带来的情感因素及组织方式等等,绝大部分都来源于前人或者是借用他人的经验,生物个体对这些经验素材的获取,或是由于接触的几率的不同,或是由于认同的程度的高低,个体间总会存在着差异,这样就产生了我们不同的个性特征。

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