大脑逆向工程——人工智能的前沿

Sat, 11 Oct 2014 03:30:53 GMT

2014年的诺贝尔医学奖己经揭晓,第一时间听到消息与获奖人,我感到惊喜又意外。在自己的研究过程中,曾经UCL神经学研究团队有过合作,而且熟知place cell和grid cell的研究成果。UCL在神经感知学上的成绩跟实力是不容置疑,但是没有想到最后会得医学跟生理学奖。自己根据理解对place cell跟grid cell的研究跟影响谈一下自己的看法。

之所以说意外,是因为此次获奖研究并不是传统意义上的医学。严格的说,应该算是感知学,跟心理学和行为学关系紧密。研究目的也不是治疗疾病,而是理解大脑运行的机制。感知学研究中,处于核心地位的常常是数学家跟计算机科学家。从计算机角度说,我们也可以叫做大脑的反向工程,是人工智能研究中的一个方向。这次诺奖主要颁发给理解人脑空间思考能力的研究,除此之处,在这个领域中还有几个方向非常有意思,如视觉、运动控制、语义记忆、情感。神经感知学最初被视为医学一个分支,目前很多时候会被视为信息科学,还有一些人把这个学科看成是终级哲学。自达尔文之后,我们知道人不过是一种动物,而神经感知学之后,我们知道人脑不过就是部计算机,思维只是信号处理过程。

在神经感知学研究中,跟语义情感相比,空间思维这个方向争论己经较少,证据充分而且理论完备。在诺奖的介绍中,说成是大脑的GPS,这是个很形像的比喻,但是并没有充分揭示其复杂性。生物的空间定位问题跟飞机的定位本质是一样的,这个问题并不简单。任何一个定位系统必须要有传感器及信号处理系统,几何计算器系统。在航空中,我们有GPS和雷达,信号用数字编码,几何计算用数字计算机。问题是老鼠怎么做的呢?传感器老鼠可以用视觉听觉触觉,信号用神经脉冲,如何从这些视觉听觉信号中提取空间信息一直是计算机科学中的一个难题,更有意思的问题是,老鼠会不会几何与数学计算,如果老鼠不会,那它怎么进行空间定位;如果老鼠会,那几何学究竟是希腊人发明的,还是老鼠发明的呢?其实还有一个更有意思的问题,数学几何这些逻辑学究竟来源于天才的创造,还是我们一种固有的能力,早己经被硬编码到了大脑中?今天诺贝奖的研究,最终揭晓就是这些问题。

第一个突破是由ucl的John O’Keele做到的。John在海马体中找到了“位置”细胞。值得注意的是,位置细胞并不是坐标,位置细胞用来标记在空间中不同位置的感知体验,而海马体是有持久记忆功能,place cell是实际揭示了记忆按空间组织的方式。我们只知道在不同位置,我们的视听咸受不一样,也知道不同的视听感受对应不同的位置。place cell并没有几何计算的功能。在实验中,place cell改变管道的形状,激活状态没有显著变化。place cell之后,又发现了orientation cell、grid cell与boundary cel、orientation cell标识头部方向的细胞,跟place cell 功能类似,只是处理的传感器信息不同。boundary cell通常被认为标识空间障碍的,是最后被发现的,grid cell被发现之后,boundary cell的存在几乎在理论上就确定了。grid cell信息功能非常丰富,回答了空间智能的核心问题,所以发现者May-Britt Moser and Edvard I. Moser分享了诺贝尔奖。在神经学中,grid cell 位于视觉信息跟记忆海马体的接口位置。如果把记忆海马体,想像成硬盘,眼睛想当于摄像头,grid cell大致相当于内存。

grid cell的发现表明老鼠在定位的过程中,空间是被分成有等边三角形。这个由三角形构成的地图的结构跟形状是固定不变的,只是在开阔的空间中三角形变大,在陕小的空间中三角形变小。在三角形中间时,用了一种类似于barycentric coordinates(到三角形三个顶点的距离)的原理定位,这跟今天的GPS原理是一样的。Grid Cell除了有几何计算的功能,还有数值积分功能。可以在大脑中,把老鼠自己的运动积分画在地图上。至此,困扰人类几千年的问题有了答案。欧氏几何其实是生物固有的一种能力。老鼠除了欧氏几何,还会二维的向量代数,跟数值微积分计算,这些写在了我们的基因中。在诺奖得主的工作之上,目前我们己经可以通过电极信号来计算出老鼠的位置,也有研究人员通过改写place cell,修改老鼠对空间跟环境的记忆。

place cell研究跟grid cell研究对今天的人工智能特别是机器人系统启发很大。place cell其实是空间索引的数据库,而grid cell是几何计算器。在信息组织上,place cell描述的是个拓扑空间,而grid cell描术的是欧氏空间。这种组织跟我们目前计算机科学中的技术完全不同,并有非常强的优势。举一个例子,我们现在的计算机系统中,老鼠问计算机我在哪,计算机会说北纬30度,老鼠又问冰激凌在哪,计算机会说30度1分。对老鼠而言,这类信息处理起来很困难,因为老鼠身上没有雷达。如果问place cell冰激凌在哪, place cell会说向前走,看红灯左转,再向右走,看见一个红房子,门进去桌子上的就是。它的信息跟老鼠
感知的信息很接近,另一点是冰激凌位置发生一些变化后,也还适用。当老鼠出门之后,就开发在grid cell上画图。老鼠的耳朵起到了加速度传感器的作用,grid cell就对老鼠的运动积分。如果当老鼠返回的时看见猫了,它就在grid cell在将猫标识成障碍,自己绕道回来。

我们可以看到,空间思维能力对生物的生存其实是至关重要的。飞机的定位系统简单,但很难同环境结合起来。而生物学的定位方法是建立在环境感知基础上的,它拥有很好对环境变化的适应能力,而且跟运动控制跟视觉听觉系统结合的更好。这些特点在目前的自主驾适汽车跟智能机器人的研发中,是核心的问题。一般来说,飞机的系统只能支持简单的定位,而生物的定位系统可以支持更为复杂的决策。

大脑GPS系统的研究在医学上可以用来治疗部分脑病,而且也提供脑病病人开发植入芯片的空间。可以说matrix跟inception的己经在原理上可以实现了。但它更主要的作用是在人工智能领域。UCL神经学研究团队的几个研究员,创立的一个叫DeepMind的公司,主要的目标就是按神经学的原理设计智能机器人,让机器人像人一样思考。最近DeepMind的机器人可以不用任何人教,坐在计算机看一会就会玩电脑游戏,这家公司去年被谷歌收购。而且欧盟启动的欧洲大脑计划可以看成是一个放大此次诺奖的研究方法。计算机算法的研究己经退居二线,反向脑工程目前处于智能研究的最前沿。

普通人可能感觉计算机科学的进步只是四核手机从1999元变成了八核的1799元,但是更深刻的变化己经发生。这次诺奖再一次展示了欧洲学者喜欢问跨学科基本问题的特点:什么是空间,什么是时间,什么是质量,什么是思想,什么是生命。在这些问题上,欧洲的天才们又领先了四十多年。四十年之后,我们越来越感受到他们思想的力量。作为造物者的信使,John O´Keefe,May‐Britt Moser 和 Edvard I. Moser值得全人类鼓掌和尊敬。