這兩年關(guān)于人工智能,大數(shù)據(jù)等方面的書籍,文章很多,人工智能也是各種行業(yè)論壇中必選主題。關(guān)于人工智能,我們經(jīng)常關(guān)心幾個問題。人工智能是什么?人工智能將怎樣影響未來的世界?人工智能會不會威脅到未來人類?這些問題,看完這篇內(nèi)容后,至少會有一些更加深入的認(rèn)識。
李開復(fù)老師也寫過一本一樣名字的著作,但是這兩本書的角度是完全不一樣的,本書作者是從腦科學(xué)的角度來理解人工智能,來闡述人工智能是如何闡述并且它的本質(zhì)是什么?本書更偏重基礎(chǔ)科學(xué)和理論的研究。所以本書比較難懂,需要大家集中精力花點(diǎn)時間來閱讀本篇內(nèi)容,但是我想這接下來的幾十分鐘,對你來說是非常值得的。
作者簡介 :
好了,介紹完本書的情況,讓我們來認(rèn)識本書兩位作者。
第一位是:杰夫霍金斯,被受世界科技界推崇的領(lǐng)袖級人物,掌上電腦及手寫輸入系統(tǒng)發(fā)明人,杰夫·霍金斯1979年六月從康奈爾大學(xué)畢業(yè)。曾于英特爾公司就職。1986年,霍金斯毅然放棄手上的工作,進(jìn)入加州大學(xué)柏克萊分校攻讀生物物理學(xué)博士。Plam Computing、Handspring及紅木神經(jīng)科學(xué)研究院創(chuàng)始人,美國國家工程院成員。
第二位是:桑德拉·布萊克斯利,《紐約時報》著名科普專欄作者。
本書簡介:
本書詳細(xì)揭示未來主流大趨勢人工智能,也就是我將要踏入的智能時代。智能手機(jī),智能汽車,智能家居,智能城市……智能時代已經(jīng)大踏步來臨。深入人腦核心區(qū)域,探究人類智能原理。作者從腦科學(xué)的角度,從大腦的形成、演化、結(jié)構(gòu)、工作原理等多個角度深入探討了智能的由來和為什么人類的大腦可以產(chǎn)生智能。
回歸硬件,用智能重塑所有既有的產(chǎn)業(yè),已經(jīng)成為公認(rèn)的最有想象空間超級大勢。隨著可穿戴設(shè)備、手機(jī)、路由器等淺智能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),智能已經(jīng)不再是營銷的噱頭以及極客們自娛自樂的玩具,它正越來越廣泛的嵌入到每一個人的生活情境之中。先機(jī)決定一切,谷歌等科技巨鱷正瘋狂加速在智能領(lǐng)域的布局,未來的世界注定是一個智能的世界。
本書分為3個主要部分:
1:人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
2:大腦的結(jié)構(gòu)和工作原理
3:人工智能的未來
第一部分:人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
一個3歲的小孩能在1秒內(nèi)快速識別出上面圖片中的小貓和小狗,但是即便是如今最強(qiáng)大的計算機(jī)也非常困難;3歲小孩所掌握的語言能力也是當(dāng)今最好的計算機(jī)所不能及的。什么是智能?它是否只存在于人腦中,而不是存在于計算機(jī)中?
目前大部分人工智能試圖將計算機(jī)像人類大腦那樣公司,具有人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),像人腦那樣去思考和運(yùn)算,但是到目前為止依然離我們想要的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。是否意味著,我們在錯誤的道路上越走越遠(yuǎn)?人腦和計算機(jī)的工作原理是否天然就存在著本質(zhì)的差別?
作者1979年從康奈爾大學(xué)畢業(yè),畢業(yè)后進(jìn)入了英特爾公司工作,但是一開始的工作并不順利,作者逐漸對人腦結(jié)構(gòu)和人工智能非常感興趣,并試圖加入MIT人類智能實(shí)驗(yàn)室,但是被拒絕之后,作者開始著手自己研究,他一開始似乎意識到,計算機(jī)和人腦的工作原理完全不同,計算機(jī)有中央處理器,而人腦沒有中心,是一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),計算機(jī)的運(yùn)行是高度精確的,但是人腦是可以容忍錯誤的。它們之間存在著很多本質(zhì)的運(yùn)行原理的差別。盡管普遍的人工智能提出的理論是:計算機(jī)能模擬整個大腦,一臺計算機(jī)可以模擬所有的神經(jīng)元和它們之間的連接,一旦這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成,那么計算機(jī)將真正具有智能。
但是作者卻得出了相反的結(jié)論:人工智能領(lǐng)域的研究或許能產(chǎn)生很多有用的產(chǎn)品,但是他們不可能建造出真正意義上的智能機(jī)器。
在離開了英特爾后,作者加入了一家硅谷的初創(chuàng)公司,該公司發(fā)明了第一臺筆記本電腦,在哪里作者發(fā)明了以自己命名的編程語言:GridTask,作者隨后的職業(yè)生涯也發(fā)展順利,但是他仍然擺脫不了對大腦和智能機(jī)器的好奇心和熱情,因此依然決定離職全身心開始研究人工智能。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人腦的差距
20世紀(jì)40年代,科學(xué)家首次提出“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的概念,50年代首次提出“人工智能”,在這幾十年的時間里,人類致力于賦予機(jī)器智能,在這個過程中,我們發(fā)明了文字處理器、數(shù)據(jù)庫、視頻游戲、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)和逼真的電腦動畫等等。但是真正的智能還是離我們遙遙無期。作者認(rèn)為,要理解大腦,必須要回到大腦的研究中,尤其是大腦的智力的來源“新皮層”的研究。將智能與人類大腦結(jié)構(gòu)內(nèi)部完全理解。
20世紀(jì)80年代隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的進(jìn)步,90年代核磁共振技術(shù)的出現(xiàn),關(guān)于人腦和人工智能的研究向前邁進(jìn)了一大步。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人腦工作原理類似,它沒有中央處理器(CPU),分布式存儲和計算,整個網(wǎng)絡(luò)中的知識和記憶都分散在連接上的各個節(jié)點(diǎn)中。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依然存在3個致命缺陷。
1:大腦功能會考慮時間因素,大腦的處理是連續(xù)不斷的。而且會根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行不斷調(diào)整。
2:大腦工作原理中,反饋連接非常重要,大腦接收信息后反饋的數(shù)量要比接收的多出10倍。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作時,信息只會向一個方向傳遞。
3:大腦的物理結(jié)構(gòu)是不斷重復(fù)的層級結(jié)構(gòu),而基于計算機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻不是。
從直覺上看,一個智能系統(tǒng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)顯然是智能的行為。但作者認(rèn)為正是這種直覺讓我們沒有看到正確的答案。就像哥白尼之前的天文學(xué)家錯誤地認(rèn)為地球是固定不動,處于宇宙的中心一樣荒謬。所以作者認(rèn)為不能淹沒在細(xì)節(jié)的海洋中,應(yīng)該轉(zhuǎn)換研究的角度去思考。
許多哲學(xué)家和心理學(xué)家認(rèn)為,思維和大腦的關(guān)系就像是軟件和硬件的關(guān)系,我們的思維可以存在于任何類似大腦的硬件中,就像很多軟件是可以跨平臺運(yùn)行的一樣,因此從這個角度,理解了大腦也并不能幫助我們理解思維。所以人工智能中,只在行為上跟人相同顯然是不夠的,我們需要在思維層面產(chǎn)生智能,即像人一樣去思考。
人腦是如何產(chǎn)生智能的?
大腦和人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有什么不同?讓我們從一個故事開始,你相信可以用舌頭看世界嗎?有一位世界級運(yùn)動員艾瑞克·維漢梅爾,在13歲時失明,但是他2002年的成功登頂了珠穆朗瑪峰,成為了有史以來嘗試并完成這一挑戰(zhàn)的第一位盲人。他意志堅定,四處演講分享與失明命運(yùn)斗爭的經(jīng)歷,在2003年,維漢梅爾又一次重新看到了世界,但并不是通過眼睛,而是安裝在舌頭上的一個顯示視覺模式的裝置,該裝置和安裝在他前額上面的一個攝像頭連接起來,通過攝像頭的像素點(diǎn)的不同傳感到舌頭上的壓力來傳遞給大腦圖像的視覺信息,而且大腦也真的學(xué)會和理解了這些信息,并形成了圖像,在安裝了這套裝置后,他看到了一個球在地板上朝他滾過來,他可以和人玩剪刀石頭布的游戲,可以走向走廊和開門等等正常人所能做的一些事情。他是如何做到的?接下來,讓我們從大腦的結(jié)構(gòu)開始講起。
人類大腦外表非常均衡,被一層薄薄的、軟軟的、粉灰色的、上面布滿了脊突和溝壑的新大腦皮層包裹著。我們的人類幾乎所有的智力的能力,都來自于這片區(qū)域,包括感知、語言、想象力、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、音樂等等一起與智力相關(guān)的能力。所有讓我們再放大它深入看看到底里面結(jié)構(gòu)是怎樣的。
大腦皮層層級系統(tǒng)
在結(jié)構(gòu)上,大腦新皮層由6層大約2毫米厚的皮層組成,可以想象就像六章?lián)淇伺频目ㄆB在一起那樣,當(dāng)然其他動物比如老鼠也有類似光滑的6層的大腦皮層,人類之所以聰明,是因?yàn)槲覀兊拇竽X皮層更大,覆蓋區(qū)域更廣,如果把這6層皮層鋪開,面積相當(dāng)于一張大的晚餐餐布那么大,而老鼠的就只有一張郵票那么大;猴子的相當(dāng)于一個商業(yè)信封的大小。而且這6個皮層之間是有高低的層級概念的,就像公司中的職位等級一樣,它們的層級跟它們所處的位置無關(guān),取決于它們之間的連接方式,而連接方式的不同是基因決定的。身體從外部會首先到達(dá)低級別區(qū)域,然后將信息從底層向高層傳遞,而高層區(qū)域用另外一種方式向下發(fā)送反饋信息,而且發(fā)現(xiàn)信息的反饋比正向的流動更多。各層級之間的工作任務(wù)也是不同的,例如視覺信息通過眼睛到達(dá)大腦的最低層級處理,對低級別視覺特征進(jìn)行檢測,比如辨別色彩和對比度等信息,隨后信息傳遞到更高一層大腦區(qū)域,一些層級會處理比如紅色和藍(lán)色的反應(yīng),另外一些層次專門負(fù)責(zé)檢測物體的運(yùn)動,位于視覺皮層更高級別是一些表征你對各種物體的視覺記憶的區(qū)域等等。
大腦皮層內(nèi)部結(jié)構(gòu)
大腦皮層上分布著約300億個神經(jīng)元細(xì)胞,它們包含了你幾乎所有的記憶、技能、知識等等一切。這300億個神經(jīng)元細(xì)胞絕大部分是錐形的,每個細(xì)胞上面有線狀的分子結(jié)構(gòu),稱之為軸突和樹突,當(dāng)一個神經(jīng)元的軸突接觸到另外一個神經(jīng)元的樹突時,就會形成一些連接,稱之為突觸。每個神經(jīng)元有數(shù)千個突觸與其他神經(jīng)元相連接,一個神經(jīng)元的神經(jīng)沖動就是通過突觸將信號(動作電位)傳遞給另外一個神經(jīng)元。300億個神經(jīng)細(xì)胞排列非常緊湊,相互連接。
我們的視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺是如何通過傳遞到我們大腦,然后如何直到我們的行為的呢?普通的腦科學(xué),尤其是90年代以后利用核磁共振技術(shù)的發(fā)展,普遍的腦科學(xué)家都認(rèn)為我們大腦每個部分有各自的功能。但1978年神經(jīng)科學(xué)家蒙卡斯?fàn)栐谄溲芯空撐摹洞竽X功能的組織原則》中提出了另外一個解釋。大腦每個部分的功能并非固定不變的,相互之間是可以相互學(xué)習(xí)和替代的,而且不管是視覺、聽覺還是觸覺都信息,在大腦內(nèi)部都遵循相同的處理模式。各區(qū)域大腦皮層的外表和結(jié)構(gòu)上存在這高度的同質(zhì)性。處理聽覺輸入的皮層區(qū)域與處理觸覺的區(qū)域相似,同時控制肌肉的皮層區(qū)域也相似,同時這些不同的區(qū)域所發(fā)揮的作用也是相同的,大腦皮層似乎使用相同的計算方法來完成它的一切功能,類似遵循同一個算法來計算視覺、聽覺和運(yùn)動等信息,意味著之前用于處理聽覺的大腦部分也可以用于處理視覺,它們之間具有高度的靈活性和可塑性,例如將剛出生的老鼠幾塊視覺皮層移植到負(fù)責(zé)觸覺的區(qū)域,經(jīng)過發(fā)育成熟后,這部分腦區(qū)就慢慢開始可以處理觸覺信息。那為什么大腦能分別處理我們的視覺、聽覺等信息呢?大腦主要是通過大腦各區(qū)域輸入的信息來發(fā)展出專門的功能,類似一個管子,如果是用于傳輸自來水,就是自來水管,如果用于傳輸石油,那么就是輸油管道一樣。大腦皮層中的組織如同地區(qū)的政治地理一樣,如果在早期設(shè)定一個完全不同的環(huán)境,就可能會導(dǎo)致與今天完全不同的地緣劃分情況。
基因決定著大腦整個機(jī)構(gòu),包括區(qū)域之間相互連接的具體細(xì)節(jié),但在這個系統(tǒng)中,具有高度的靈活性和可塑性,各個皮層區(qū)域共享一個強(qiáng)大的通用算法。作者同時指出所有的信息,包括聲音、圖像、觸覺、味覺等信息都同時具有時間和空間兩個屬性,不同的信息會轉(zhuǎn)化為軸突上的“空間-時間”模式進(jìn)入你的大腦。我們大腦里面一片漆黑和寂靜,無法直接感知外部世界,它所了解的方式只有軸突上的輸入時間-空間模式流來感知世界和產(chǎn)生自我意識。而且所有的外部信息都會轉(zhuǎn)化成為相同的模式通過大腦的通用算法進(jìn)行處理,為此,美國生物醫(yī)學(xué)工程教授保羅發(fā)明了一種在舌頭上顯示視覺模式的裝置,盲人可以通過舌頭上的感覺來轉(zhuǎn)化成為視覺信息,這就是剛開始我們將的那個離奇的故事。
大腦是處理模式的機(jī)器,從本質(zhì)上講,模式才是大腦工作的實(shí)質(zhì),各個部分基于同一個算法,處理來自視覺、聽覺還是觸覺信息,大腦就類似一個黑盒子,所有的輸入信息都只是一個個模式而已??梢韵胂笕绻覀兡芷谱g新皮層的算法并創(chuàng)立一種模式科學(xué),我們就可以將其應(yīng)用到任何想要使之擁有智能的系統(tǒng)上,這樣我們可以讓任何物體擁有智能,它們可以看,可以聽也可以和人類一樣產(chǎn)生感覺和自我意識。
對于大腦來說,所有的信息只是一個個模式而已,由此作者引發(fā)出了一個哲學(xué)問題。我們真實(shí)的世界真的是像我們看到和感覺的客觀存在嗎,并不是我們想象出來的嗎?
關(guān)于記憶
普遍的人工智能科學(xué)家認(rèn)為,只要計算機(jī)的計算能力足夠強(qiáng),就能造出跟人一樣聰明的計算機(jī)。但是實(shí)際上,當(dāng)前的計算機(jī)計算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類的神經(jīng)元。一個典型的神經(jīng)元可以在5毫秒內(nèi)輸出電脈沖,同時自行復(fù)位,大約每秒可以做200次,而且神經(jīng)元的傳導(dǎo)也是非常緩慢的,在半秒內(nèi),進(jìn)入大腦的信息只能穿過大約100個神經(jīng)元的長度,作者稱之為“一百步法則”,但是一臺現(xiàn)代的硅芯片計算機(jī)可以在1秒內(nèi)完成10萬次的運(yùn)算,計算機(jī)的計算能力要遠(yuǎn)快于人腦。但是顯然人腦要比硅芯片計算機(jī)要聰明,這是為什么呢?答案很簡單,因?yàn)榇竽X并不是以計算能力取勝,而是從記憶中提取答案。大腦只需要幾步就可以從存儲記憶中找到答案。
但是可能你會問,計算機(jī)也有存儲設(shè)備,為什么計算機(jī)沒有智能呢?不能像3歲小朋友一樣快速識別出一本書或者一顆糖果呢?大腦皮層的記憶具有4個區(qū)別于計算機(jī)記憶的屬性。
1:大腦皮層存儲的是序列模式。
2:大腦皮層以自-聯(lián)想的方式提取模式記憶。
3:大腦皮層以恒定的形式存儲模式。
4:大腦皮層將模式存儲在層級結(jié)構(gòu)中。
這里我們先講解其前面3個特性。
我們所有的記憶都存儲在神經(jīng)元之間的突觸連接中,我們大腦存儲了非常多的信息,而我們大部分日常使用的只是非常小的一部分,大部分記憶只是靜靜地存儲在我們的大腦中。
序列模式是指大腦皮層存儲的是一連串具有關(guān)聯(lián)性的信息序列,大腦存儲的記憶信息序列是有時間和空間順序的。就像我們講述一個故事一樣,是循序漸進(jìn)講出來的。我們很容易記憶按順序讀出26個字母,但是如果讓你反著讀出來,可能就沒那么容易了。我們很容易唱一首歌,但是很難反著唱一首歌。計算機(jī)存儲并是按照字節(jié)方式存儲在的,但并不是按照一個模式序列存儲的。
大腦記憶的第二個特征是自-聯(lián)想,是指模式與自己相關(guān)聯(lián),可以根據(jù)不完整或者被扭曲的輸入信息,提取出全部完整模式的系統(tǒng),類似于模糊搜索。就像我們看到一個熟人的臉,我們就可以自動其聯(lián)想到他的全部一樣。大腦可以根據(jù)片面的信息自動補(bǔ)齊其他信息。
大腦記憶的第三個特征是恒定表征,這個是什么意思呢,計算機(jī)程序的一套精準(zhǔn)運(yùn)行的機(jī)制,其中哪怕一點(diǎn)點(diǎn)邏輯問題都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的故障,但是人類大腦系統(tǒng)有更強(qiáng)的容錯機(jī)制。比如我們手上拿著一本書,當(dāng)你移動這本書,或者改變照明、調(diào)整坐姿等等都會改變我們視覺對這本書的輸入模式,而且是完全不重復(fù)的,盡管這些視覺信息隨時在便,不管在改變照明還是調(diào)整坐姿,我們都依然很容易地準(zhǔn)確地認(rèn)識這本書。那么大腦是如何做到的呢?這就是大腦的“恒定表征”的特性。
智能理論的新框架
當(dāng)家里來了客人或者桌子上放置了一個新的水杯,我們很容易發(fā)現(xiàn)。這是因?yàn)槲覀兇竽X利用記憶不斷地對我們所看到、所聽到和所感覺的一切事物進(jìn)行預(yù)測。很多人應(yīng)該有這樣的體驗(yàn),當(dāng)我們下樓梯的時候,一不小心踩空了,如果不小心就會摔跤,這也是因?yàn)?,我們在下意識下樓梯的時候,我們大腦在下一步踏下之前,預(yù)測下一階樓梯的高度和位置等。
大腦以一種方式對我們生活的世界的每一處不斷地進(jìn)行預(yù)測,就像我們開車的時候,大腦會不自覺的預(yù)測前面的道路情況和來往車輛的行經(jīng)方向等。預(yù)測能力不僅是我們大腦的功能之一,更是智能的基礎(chǔ)。人類幾乎一切行為都跟預(yù)測相關(guān),根據(jù)蒙卡斯?fàn)柕睦碚?,之所以人類大腦比其他動物大腦更聰明,正是因?yàn)樗梢詫Ω橄蟮哪J胶透L的時間模式序列做出預(yù)測。我們能預(yù)測別人下一句話要表達(dá)什么,我們能預(yù)測前面的車輛接下來要往哪個方向行駛。而且作者認(rèn)為科學(xué)本書就是一種預(yù)測訓(xùn)練。
作者認(rèn)為,智能是以對世界中模式的記憶和預(yù)測能力來衡量的,這些模式包括語言、數(shù)學(xué)、物理和物理屬性以及社會環(huán)境。我們大腦從接收外界的信息形成記憶,結(jié)合曾經(jīng)的情況和正在發(fā)生的事情來進(jìn)行預(yù)測。在商業(yè)社會,預(yù)測也同樣重要,我們預(yù)測用戶喜歡什么樣的產(chǎn)品和服務(wù),并對此進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)。
幾千萬年前,大腦皮層首先出現(xiàn)在哺乳動物腦中,幾百萬年前,人類的大腦皮層面積開始迅速擴(kuò)大,使得人類比其他哺乳動物更加聰明,因?yàn)槠渌佬袆游镆婚_始并不具有大腦皮層。剛開始的大腦皮層只是幫助我們更有效的利用現(xiàn)有行為,比如調(diào)節(jié)血壓、饑餓感、情緒以及運(yùn)動等,而不是創(chuàng)造出新的行為,也就是說,剛開始的大腦皮層并不能具有創(chuàng)造力或者說智能。
那么,如何理解大腦皮層,為什么記憶和預(yù)測是解開智能之謎的鑰匙呢?一開始,人類的大腦(現(xiàn)在的舊腦)復(fù)雜人類的日常行為的反應(yīng),在出現(xiàn)大腦新皮層后,大腦的新皮層慢慢地開始存儲記憶,并利用自-聯(lián)想等方式幫助我們填補(bǔ)信息進(jìn)行反應(yīng),具有了存儲和預(yù)測的功能,逐漸地大腦的皮層開始接管了之前舊腦對行為的控制,隨著大腦皮層進(jìn)化得越來越大,它能記憶存儲的信息越來越多,有更多的記憶,而且皮層的神經(jīng)元越來越多,意味著能作出更多的預(yù)測,人類逐漸跟另外一些哺乳動物區(qū)分開來,具有了更高級的智能,由此早就了人類獨(dú)特的智能行為能力。
比如烹飪食物、開飛機(jī)、該摩天大樓等高級智能是如何進(jìn)化而來的呢?作者給了兩種答案,一種是人類大腦的算法極其靈活,只需要人類獨(dú)有的重新調(diào)整,就可以創(chuàng)造出新的復(fù)雜行為;第二種解釋是行為和預(yù)測是同一件事情的兩面,盡管大腦皮層能夠預(yù)見未來,但它只有在對所執(zhí)行的行為有所了解時,才能作出準(zhǔn)確的感覺預(yù)測,也就是是,人類的創(chuàng)造其實(shí)是基于經(jīng)驗(yàn)。
接下來,讓我們看看,人類為什么具有復(fù)雜行為的智能,人類大腦體積是黑猩猩的3倍,但我們的大腦比海豚要小,所以大腦并不是越大越好,決定智能程度的是其新皮層的厚度和大?。êk啻竽X皮層只有3層),以及它們之間的連接。我們大腦皮層與身體的肌肉之間存在著更多的連接,而且其他哺乳動物則沒有我們這樣多的連接,很大程度上還是依靠舊腦指導(dǎo)行為,我們可以稱之為動物本能。而人類的獨(dú)特之處在于,人的大腦皮層在產(chǎn)生和控制行為方面起著主導(dǎo)和超前的作用。
那么,讓我們來回顧一下人類是如何超越其他動物成為地球上最聰明的物種的。大自然進(jìn)化出了一些動物,比如爬行動物,它們擁有復(fù)雜的感官和復(fù)雜但有限的行動模式,之后,大自然發(fā)現(xiàn),通過給一些動物增加一個記憶系統(tǒng)(大腦新皮層),并輸入感覺信息流,這些動物可以記住過去的經(jīng)驗(yàn),以便在未來類似的情況下,過去的記憶就會被喚醒,能對事情產(chǎn)生預(yù)測能力,我們的智能和理解就出現(xiàn)了,預(yù)測便是理解的本質(zhì),理解一件事情,意味著我們能對它作出預(yù)測。
人類的大腦皮層非常之大,有著龐大的記憶存儲,它能夠不斷地預(yù)測你將要看到、聽到、感覺到的東西,而大多數(shù)都是無意識完成的,這些預(yù)測就是我的思想,當(dāng)它們與感覺輸入結(jié)合之后,就形成了我們的知覺,作者將這樣的模式或者說智能模式稱之為“記憶-預(yù)測框架”。
大腦皮層是如何工作的
前面一部分內(nèi)容,我們闡述了人類大腦的智能是如何產(chǎn)生的,大腦皮層擁有巨大的存儲空間;我們的記憶以模式序列的方式存儲,同時在檢索的時候還必須根據(jù)新舊模式之間的相似性來檢索模式,這里我們稱之為自-聯(lián)想記憶;同時記憶在大腦各個區(qū)域中以恒定的行為存儲,這樣才能將我們的存儲的信息應(yīng)用到未來相似的新情景中。接下來這部分的內(nèi)容,我們將繼續(xù)解開大腦的工作模式。
大腦的智能是通過記憶-預(yù)測框架實(shí)現(xiàn)的。要了解大腦是如何根據(jù)記憶來進(jìn)行預(yù)測的。我們首先要理解它的多層設(shè)計。大腦皮層是一大片組織,其中包括很多功能區(qū)域,比如負(fù)責(zé)處理視覺、聽覺和味覺等各種感覺的特別區(qū)域,這些區(qū)域通過大量的神經(jīng)軸突和纖維連接在一起,相互傳遞信息。在視覺識別中,識別物體從低到高的四個層級分別是:V1、V2、V4和IT。我們的眼睛在不停地快速移動,大約每秒3次來收集視覺信息,通過肌肉纖維的電信號傳遞給V1,在V1中,每個細(xì)胞只會對視網(wǎng)膜的一小塊區(qū)域的視角輸入產(chǎn)品反應(yīng),也就是,每個神經(jīng)元細(xì)胞只會識別視覺區(qū)域中非常有限的區(qū)域的信息。然后每個V1區(qū)域的神經(jīng)元細(xì)胞將信息不斷地向上傳遞,聚合,到IT區(qū)域時,我們會發(fā)現(xiàn)他們所感受視野覆蓋更大的區(qū)域。從視網(wǎng)膜到IT區(qū)的4個不同層次看,細(xì)胞從快速變化、空間相關(guān)、能識別微小特征的細(xì)胞,逐漸變成穩(wěn)定激活、與空間無關(guān)、能識別完整物體的細(xì)胞。這種層層遞進(jìn),視野不斷開闊的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類似我們的公司組織架構(gòu),出于底層的每一個員工就類似一個神經(jīng)元,他們所作的事情僅僅是他們本職工作,而他們上級會收到不同部門的員工信息,從而對公司的業(yè)務(wù)發(fā)展和市場前景有更進(jìn)一步的認(rèn)識,直到公司的高層管理者,他們就有全局觀,能完整看到公司的業(yè)務(wù)情況和前景。
和視覺處理過程一樣,聽覺、觸覺和其他感覺的信息處理過程也是類似的層層遞進(jìn),從快速變化到緩慢變化,從空間相關(guān)到空間無關(guān)的過程。在底層的聽覺區(qū)域,不同的細(xì)胞會識別同一個文字的不同口音的發(fā)音,但是高層級的大腦皮層就不會關(guān)心不同的口語,它會只識別具體的每一個單詞,不管是何種口音或者語調(diào)。但是我們需要輸入連續(xù)一段時間的信息才可以做到,但從一個瞬間的信息是無法做出判斷的。這也是前面講到的大腦處理都具有時間和空間兩個基本屬性。同時,在大腦皮層越高的層級,歲時間變化就越少??梢岳斫鈴淖罡叩膶蛹墸軓母┮暯嵌葋砜创麄€完整的事物。
我們看到了各個區(qū)域獨(dú)立工作的原理,大腦皮層包括幾十個皮層區(qū)域以各種方式相互連接,大部分的大腦皮層都包含聯(lián)合區(qū)域,就是連接相互重疊的區(qū)域,一個聯(lián)合區(qū)域會匯聚幾十個底層區(qū)域的信息。那么這些聯(lián)合區(qū)域是如何工作的呢?
在聯(lián)合區(qū)域的概念下,我們不應(yīng)該將V1/V2/V4看成一個獨(dú)立的區(qū)域,而是每個區(qū)域都包含多個子區(qū)域。在大腦皮層的所有區(qū)域中,處理視覺的V1區(qū)域具有最大的面積,其次是V2,如果將V1區(qū)域再細(xì)分成為多個小區(qū)域,同樣,V2也會有多個小區(qū)域,但是處于頂層的IT區(qū)域司一個獨(dú)立的區(qū)域,這也解釋了為什么IT區(qū)的細(xì)胞對于整個視覺世界有鳥瞰的視野。
從聯(lián)合區(qū)域的角度,較高層的聯(lián)合區(qū)域會從多個感覺區(qū)域,包括視覺、聽覺、觸覺等整合信息。和單獨(dú)的視覺處理過程一樣,一個V2的子區(qū)域不需要知道它正在處理的來自多個V1子區(qū)域的信息,一個聯(lián)合區(qū)域不需要制度它正在處理來自視覺和聽覺的輸入信息。它們所做的事情就是接收信息、反饋信息,并向上傳遞信息。一個大腦皮層區(qū)域的工作取決于它們之間的連接關(guān)系,也就是信息的傳遞和反饋鏈路關(guān)系,并記住這些關(guān)聯(lián)的序列,并利用這些記憶來預(yù)測輸入信息將會發(fā)生什么。大腦皮層就像一間大的生產(chǎn)車間,每個流水線公司就像一個神經(jīng)元細(xì)胞,他們只處理傳遞過來的任務(wù),并根據(jù)傳遞過來的任務(wù)或者信息預(yù)測接下來他們怎么做。大腦的每個區(qū)域都進(jìn)行著類似的加工過程,在大腦的新皮層每個層次的不同區(qū)域中,都能形成恒定表征,而且大腦的信息是自下而上和自上而下雙向傳遞的,這就是大腦通用的皮層算法。
至此,我們了解了本書的一種重要結(jié)論:我們我們之所以能夠思考、運(yùn)動和預(yù)測未來,是因?yàn)榇竽X皮層建立了一個關(guān)于世界的模型,大腦皮層在各個層級中都存儲了這個世界層級結(jié)構(gòu)模型,你的大腦皮層的嵌套結(jié)構(gòu)反映了這個世界的嵌套結(jié)構(gòu)。這種嵌套結(jié)構(gòu)和每層都具有的恒定表征是大腦統(tǒng)一算法很重要的特征。
在你的客廳,看著一個窗口,即使這時你的眼睛只不過正在注視著窗戶的一個“插銷”而已。大腦皮層的高層區(qū)域正維持著關(guān)于你家的表征,而較低區(qū)域則維護(hù)著房間的表征,再低的則維護(hù)著窗戶的表征。那么如何理解序列?比如我們走路和開車的時候,這一連串動作,我們都是無意識完成的。而這一連串的動作可以理解成為一個序列已經(jīng)存儲在我們大腦的某個區(qū)域,當(dāng)我們開始或者走路是,會激活這部分腦區(qū)中的序列記憶。在大腦皮層的各區(qū)域中,自下而上的分類和自上而下的序列不斷交互和變化,貫穿始終。這是學(xué)習(xí)的本質(zhì)。
大腦皮層的設(shè)計和學(xué)習(xí)方法和我們現(xiàn)實(shí)世界的層級關(guān)系非常類似,我們每個人所了解和感受到的世界是很小的一部分,每個群體和民族有自己的文化認(rèn)同和群體意識,我們所看到和感覺到的世界有自己相對穩(wěn)定的認(rèn)知,和大腦各區(qū)域具有恒定表征類似。而每個組織甚至國家,他們在更大的范圍里了解整個世界的全貌。不僅是我們世界的組成方式有層級結(jié)構(gòu),在自然界也同樣普遍存在著這樣的層級關(guān)系,樹木構(gòu)成森林、石頭和泥土構(gòu)成小山等都是這樣的層級結(jié)構(gòu)。
信息在大腦皮層體系上下流動的過程中,記憶和用名字表征序列的方式可能會讓你聯(lián)想起軍事指揮的等級結(jié)構(gòu)。最高將領(lǐng)說:“部隊轉(zhuǎn)移到佛羅里達(dá)州過冬?!边@個簡單的高層指令在沿著等級結(jié)構(gòu)向下傳達(dá)的過程中逐步展開成更詳細(xì)的指令。將軍的部下會將命令分解為若干步驟,例如準(zhǔn)備離開、向佛羅里達(dá)州轉(zhuǎn)移,以及準(zhǔn)備到達(dá)。而其中每個步驟又會進(jìn)一步分解,讓下級執(zhí)行。在最底層,成千上萬的士兵執(zhí)行成千上萬的行動指令,最終完成了部隊轉(zhuǎn)移。每一層的執(zhí)行情況都會形成報告,匯報給上級。在向上逐層匯報的過程中,報告不斷匯總精簡,直到最高層將領(lǐng)收到的每日簡報稱:“向佛羅里達(dá)州轉(zhuǎn)移行動一切順利?!睂④姴粫玫叫袆拥娜魏渭?xì)節(jié)。
大腦的學(xué)習(xí)也是會循序漸進(jìn),當(dāng)大腦高層區(qū)域?qū)δ骋恍蛄心P妥R別之后,這邊會形成我們的記憶表征并逐級下移,然后高級區(qū)域如IT區(qū)域就會空閑下來,去學(xué)習(xí)識別其他的序列模型。比如某方面專家就因?yàn)閮淞舜罅康挠洃洷碚?,所以能非常快速識別出問題或者找到某個問題的解決方案。
在大腦皮層下發(fā),有三個與皮層交互的組織:基底核、小腦和海馬體。它們都先于腦皮層被進(jìn)化出來,基底核是原始的運(yùn)動系統(tǒng),小腦是負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)時間間精確的時間關(guān)系,而海馬體則存儲與特定事件與地點(diǎn)有關(guān)的記憶。海馬體也是形成新記憶的一個關(guān)鍵組織,如果失去了左右兩個海馬體的人短期內(nèi)看起來正常的,但是實(shí)際上無法記住新的東西。作者一開始并沒有對這三個組織進(jìn)行大量研究,因?yàn)樽髡哒J(rèn)為這三個組織功能很大程度上已經(jīng)被大腦皮層替代。但后來作者研究發(fā)現(xiàn),海馬體占據(jù)了大腦皮層的金字塔頂端,它擅長快速記憶所看到的任何模式,并能快速識別出是否是新事物。
自此,我們對大腦整個工作原理進(jìn)行了大概的講解,大腦是一個龐大而復(fù)雜的多層記憶系統(tǒng),它擁有多層結(jié)構(gòu),數(shù)十億個神經(jīng)元和數(shù)萬億個突觸,我們的生命、信念、語言等都能被記憶在數(shù)萬億個微小的突觸中。
意識與創(chuàng)造力
除了人類其他動物是否擁有智能?作者給出的答案是肯定的,所有的動物都有舊腦,也都有大腦皮層,只是結(jié)構(gòu)比較簡單,人類通過多次的大腦皮層次結(jié)構(gòu)、恒定表征以及類比預(yù)測,我們擁有了比其他動物更高的智能水平,但是其他動物也具有智能,只是程度不同而已。人類可以學(xué)習(xí)更加復(fù)雜的世界模型和做出更加復(fù)雜的預(yù)測 ,但是其他動物比人貓和狗則不能。人類智能和其他動物的第二個不同點(diǎn)是,我們擁有語言能力。通過語言,我們可以將記憶傳遞到其他人大腦中,通過語言,我們可以學(xué)習(xí)到并沒有看到的事情。語言的形成需要大型的大腦皮層,這樣才能處理句法和語義結(jié)構(gòu)等,語言還促進(jìn)了運(yùn)動皮層和肌肉系統(tǒng)的發(fā)展,我們能發(fā)出更加清晰準(zhǔn)確的聲音,做出更加細(xì)致的手勢。
作者將智能劃分為3個時期。每個時期都用到了記憶和預(yù)測。
第一個時期,是物質(zhì)使用DNA作為記憶媒介。這些個體無法在生命中進(jìn)行學(xué)習(xí)和適應(yīng),它們只能通過DNA向后代傳遞這個世界的記憶。
第二個時期,是物質(zhì)開始能夠修改神經(jīng)系統(tǒng),并快速形成記憶。這些物種能學(xué)習(xí)這個世界的結(jié)構(gòu),并在生命中不斷調(diào)整行為來適應(yīng)世界。這個時期大腦皮層出現(xiàn)。
第三個時期,是最后一個時期,也就是人類的智能出現(xiàn),開始于語言的出現(xiàn)以及大型皮層的擴(kuò)展。我們可以學(xué)習(xí)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型和做出更加復(fù)雜的預(yù)測。并通過語言將記憶傳遞給其他人,并將我們的認(rèn)知傳播到整個世界。
什么是創(chuàng)造力
在討論人工智能的時候,很多人認(rèn)為機(jī)器和人最大的區(qū)別就是機(jī)器無法進(jìn)行創(chuàng)造,不具有創(chuàng)造力,因?yàn)闄C(jī)器擅長邏輯運(yùn)算,但是并不擅長跳躍式的思維,也就是創(chuàng)造性思維。真的是這樣嗎?
作者認(rèn)為,創(chuàng)造力并不是大腦某一特殊部分產(chǎn)生的,它是每個大腦皮層區(qū)域的內(nèi)生屬性,它是預(yù)測的必要組成部分,換句話說就是,創(chuàng)造其實(shí)也是預(yù)測能力的一部分。
想象你在一家陌生的餐館就餐,你想洗一下手。即使你沒有進(jìn)過這座建筑,你的大腦仍然會預(yù)測這家餐館有洗手間可以洗手。你的大腦是怎么知道的呢?那是因?yàn)槟闳ミ^的其他餐館都有洗手間,所以大腦通過類比認(rèn)為這家也有。而且,你還知道到哪兒去找,要找什么標(biāo)志。你預(yù)測會看到一扇門或者標(biāo)志,上面有標(biāo)出男性或女性的符號。你預(yù)測衛(wèi)生間會在餐廳的背后,要么在吧臺旁邊,要么在大廳對面,但一般不會在就餐區(qū)。因此,雖然你從沒來過這家餐館,但你通過類比其他餐廳,你就能找到洗手間。你不會隨便亂走。你會尋找預(yù)期的模式,從而讓你能快速找到洗手間。這種行為就是創(chuàng)新行為,它通過類比過去而預(yù)測未來。雖然我們一般不會認(rèn)為這是創(chuàng)新,但它實(shí)際上就是。
所以類比預(yù)測就是我們創(chuàng)造力,當(dāng)記憶-預(yù)測系統(tǒng)在較高的抽象層發(fā)揮作用時,但系統(tǒng)作出不同尋常的預(yù)測時,當(dāng)系統(tǒng)使用不同尋常的類比時,它就產(chǎn)生了創(chuàng)新,而這種創(chuàng)造力是我們大腦與生俱來的能力,每個人都毫無疑問地?fù)碛袆?chuàng)造力。就像喬布斯所說的那樣,創(chuàng)造力只不過是不同事物之間的關(guān)聯(lián)而已。
每個人都有創(chuàng)造力,這是大腦的內(nèi)生屬性決定的,但是每個人的創(chuàng)造力大小是有區(qū)別的。這與先天屬性和后天培養(yǎng)都有關(guān)系。在后天培養(yǎng)中,每個人的經(jīng)歷不同,他們大腦皮層所建立的世界模型和記憶也有所不同,所以也會作出不同的類比和預(yù)測。有的人之所以在社會環(huán)境、語言使用、數(shù)學(xué)或者外交能力方面更具創(chuàng)造力,是因?yàn)樗麄兯艿降某砷L環(huán)境的影響。
另外,在先天屬性方面,這是由我們的基因決定的,每個人的大腦皮層的大小不同或者他們之間的連接程度也不同。愛因斯坦是我們公認(rèn)的天才,在他的大腦神經(jīng)元研究中發(fā)現(xiàn),他的大腦比大部分人的大腦寬15%,他的大腦神經(jīng)元平均擁有更多的支持細(xì)胞,又稱為神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。還發(fā)現(xiàn)他大腦頂葉中有不同于常人的回間溝通模式,這種差異讓他具有更好的數(shù)學(xué)能力和空間推理能力。
現(xiàn)在我們知道了,任何人的大腦都具有創(chuàng)新能力,只是程度不同而已,那么如何才能提升創(chuàng)新能力呢?作者指出,我們需要培養(yǎng)自己大腦的類比能力,當(dāng)面對問題時,我們需要長時間地思考,并且拓展我們的思維,讓大腦暢想。給大腦足夠的時間和空間來繼續(xù)類比訓(xùn)練。類比的訓(xùn)練是讓你的大腦從不同的方法來看待同一個問題,從而使你有可能從經(jīng)歷中找到最類似的類比。比如你遇到一個問題暫時無法解決,可以做一些其他的事情,然后重新回來換一個思考方式,如果嘗試足夠多次后,你一定會產(chǎn)生新的想法。
大腦是一個建立模型并作出創(chuàng)新性預(yù)測的器官,它的模型有時候是對的,有時候卻是錯的。就像古希臘天文學(xué)家亞里士多德、托勒密等建立了一個看似很完美的“地心說”的天文模型,但實(shí)際上后來證明是錯誤的。
什么是意識
很多人對意識充滿了好奇,大多數(shù)人也認(rèn)為意識是游離于大腦之外的神秘的東西,在西方世界,人們通常將僵尸比作成為沒有意識的人肉機(jī)器。但作者認(rèn)為,意識并不是什么神奇的東西,有大腦皮層就會有意識,而且作者將意識分為兩大類:
第一種是類似于自我意識,也就是我們?nèi)粘Uf的“意識”。比如我從你身邊走過,你會有意識。也就是覺知,這種意識類似于陳述性記憶。我們知道所有的記憶都存儲在神經(jīng)元之間連接的突觸中。
第二種是感受,就是與知覺相關(guān)聯(lián)的情感,相對獨(dú)立于感知輸入。不同的感知輸入會讓我們產(chǎn)生不同的感受,比如我們看到紅色會感覺興奮,看到黃色會感覺溫暖。
但是作者認(rèn)為,不管意識如何定義,記憶-預(yù)測框架模型都在其中起著非常重要的作用。
智能的未來
20世紀(jì)50年代,有人預(yù)測2000年人類會在地下室擁有原子反應(yīng)堆,在月球上度假。人類大腦通過類比作出預(yù)測,但是作者指出要預(yù)測若干年后的未來技術(shù)是不可能的。不過我們可以做更加寬泛的預(yù)測,未來的智能機(jī)器將改變我們生活的方方面面,這一點(diǎn)幾乎是可以肯定的。
那么未來的智能機(jī)器是什么樣的呢?是跟我們電影和小說中說描述的那樣跟人類幾乎一樣嗎?還是像現(xiàn)在電腦一樣是一個黑色或者白色的大箱子?機(jī)器智能到底對我們未來的生活產(chǎn)生什么終極影響?如何實(shí)現(xiàn)人工智能?
作者認(rèn)為在未來很長一段時間,機(jī)器還不能實(shí)現(xiàn)讓人類一樣的智能,主要有幾個方面的原因。
第一:智能機(jī)器可以擁有像人類一樣的大腦皮層,但要像人類一樣生活,只是擁有大腦皮層是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。它需要加入人類的情感系統(tǒng)和經(jīng)歷,具備人類的精神。
第二:機(jī)器人的成本巨大,而且并沒有我們想象的那樣實(shí)用,它們雖然擁有智能,但是需要與人交流和幫助人類從事活動是非常困難的。
如何實(shí)現(xiàn)?
作者認(rèn)為,首先需要一組感官提取來自這個世界的模式。比如必須有眼睛和耳朵等等。
其次,還應(yīng)該將這些感官和層次記憶系統(tǒng)連接起來。
然后,記憶系統(tǒng)還采用與大腦皮層相同的工作原理。
之后,我們就可以像教小孩那樣訓(xùn)練記憶系統(tǒng)。通過反復(fù)的訓(xùn)練,智能機(jī)器將慢慢建立更多的世界的模型,它可以根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)作出類比,對未來的事情作出預(yù)測,對新的問題提出解決方案,由此產(chǎn)生了智能。
從物理上講,沒有理由一定要機(jī)器長的像人類那樣。智能機(jī)器可以內(nèi)置于飛機(jī)和汽車,或者類似放到書桌上的電腦。與人類不同的是,智能機(jī)器的大腦可以和身體軀干分開,它的存儲系統(tǒng)可以遠(yuǎn)離感官系統(tǒng)。重要的是,智能的衡量標(biāo)準(zhǔn)是層次記憶的預(yù)測能力,而不是人類行為的相似程度。
但是在人類創(chuàng)造智能機(jī)器中會遇到很多問題。
第一個問題就是規(guī)模問題。大腦皮層用32萬億個突觸,這樣的存儲量相當(dāng)于我們需要大約80個硬盤才能大腦皮層的存儲量。好的方面是,按照現(xiàn)在的技術(shù)水平,至少在實(shí)驗(yàn)室可以輕松擁有這樣的存儲的設(shè)備。
第二個問題是連通性的問題。真正的大腦擁有大量的皮層下白質(zhì)。它們的作用是實(shí)現(xiàn)大腦皮層不同區(qū)域之間的互聯(lián)。一個細(xì)胞可能與數(shù)千個其他細(xì)胞相連接,如果采用傳統(tǒng)的芯片工藝,幾乎不可能實(shí)現(xiàn)這樣的互聯(lián)程度。
但是隨著技術(shù)的發(fā)展,規(guī)模問題和連通性問題終將得到解決。
對于智能機(jī)器是否會像電影里面那樣,它們會產(chǎn)生意識,威脅甚至控制人類,作者認(rèn)為這些都不會發(fā)生,至少它們不會有個人野心,不會渴望財富、社會認(rèn)可或者情感上的滿足等,它們也不會有食欲、癖好和情緒障礙。所以智能機(jī)器不會想任何類似人類那樣的情感。機(jī)器會擁有非常強(qiáng)大的智能,但是要像人類一樣行動、思維和與人相處還需要很長時間。
作者對未來機(jī)器智能持樂觀態(tài)度,作者指出未來在4個方面,智能機(jī)器將超出我們?nèi)祟惖淖陨砟芰Α?/p>
第一:速度
神經(jīng)元的速度是毫秒級別,而硅芯片的速度可以達(dá)到納秒級別,可以想象機(jī)器大腦可以比人腦的思考速度快100萬倍,它們解決科學(xué)問題的速度也比人類快100萬倍,在10秒內(nèi)在一個問題上所想到的東西,你需要花一個月。而且機(jī)器從不感到疲勞。
第二:規(guī)模
在未來智能機(jī)器的存儲規(guī)模將會大大超過人類,人類大腦的重量只有體重的2%,但是消耗了氧氣的20%,而且人類大腦的容量在未來幾十年的進(jìn)化中不會有明顯進(jìn)步,但是計算機(jī)擁有無限的增長空間。
第三:可復(fù)制性
每個新的大腦都需要從頭開始成長和訓(xùn)練,這需要花費(fèi)人類幾十年的時間,但是智能機(jī)器可以不需要經(jīng)過漫長的學(xué)習(xí)過程,從存儲介質(zhì)上無限復(fù)制,輕松轉(zhuǎn)移內(nèi)容。
第四:感官系統(tǒng)
人類只有少數(shù)幾個感官系統(tǒng),但是智能機(jī)器可以增加其他比如夜視鏡、雷達(dá)、或者哈勃望遠(yuǎn)鏡等超越人類的感官系統(tǒng)。可以利用大量分布式的傳感系統(tǒng),智能機(jī)器可以從更大的范圍上感官世界,比如感知全球的各地的天氣狀況,交通等變化。
好了,本書的內(nèi)容就解讀完了,內(nèi)容十分豐富且有趣,相信你讀完之后,對人工智能有了初步了解,而且對什么是智能,以及如何實(shí)現(xiàn)人工智能有了更深入的了解。
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