人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)論文(2)
人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)論文篇二
人工智能的將來，是否就埋藏在大腦那些神經(jīng)元突觸間美妙的電信號中?
前言
我們曾經(jīng)說過，在人工智能的研究中有一個(gè)流派，傾向于認(rèn)為對大腦的恰當(dāng)模擬會(huì)是制造出人工智能的關(guān)鍵，但事實(shí)上，直到今天我們對人腦的工作原理的了解仍然十分粗淺，更談不上對它的精確模擬了。對大腦的研究、以及對以此為基礎(chǔ)的人工智能的研究，早已脫離了單個(gè)學(xué)科可以應(yīng)對的范疇，而需要多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域之間的相互協(xié)作。或許只有最頂尖的人才才能理解，并最終推動(dòng)這些領(lǐng)域的進(jìn)步。
不過即使是我們目前對人腦非常淺薄的研究中得到的認(rèn)知，也已經(jīng)構(gòu)成了一幅無比美麗的畫卷。這其中蘊(yùn)含的奧妙讓我們絲毫不會(huì)懷疑，我們的大腦是世界上最精妙(同時(shí)居然是自然進(jìn)化出來的)結(jié)構(gòu)。而這些研究也告訴我們，無論是對人類的智能還是人工智能，我們都尚有太多太多可能的潛力沒有挖掘出來。如果條件成熟、腦科學(xué)同計(jì)算機(jī)科學(xué)能夠更加緊密的結(jié)合起來，沒有人能想象將會(huì)爆發(fā)出多大的能量。
在剛剛結(jié)束的CCAI2016上，來自中國科學(xué)院的外籍院士、中國科學(xué)院神經(jīng)學(xué)研究所長薄慕明院士給我們詳細(xì)講解了目前在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域研究的最新進(jìn)展。其演講中體現(xiàn)出來的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃悸泛蛯?shí)驗(yàn)方法不禁讓人贊嘆，雷鋒網(wǎng)在此精編了整個(gè)演講實(shí)錄，并為大家做出了注釋，在大家閱讀的同時(shí)，不妨想象一下，在你閱讀的同時(shí)，你神奇的大腦內(nèi)密密麻麻的神經(jīng)細(xì)胞之間，又迸發(fā)出了怎樣的火花?
腦科學(xué)能為人工智能帶來什么?
演講者：蒲慕明
非常高興今天有機(jī)會(huì)能來參加這個(gè)會(huì)，今天我想把神經(jīng)科學(xué)里面的一些進(jìn)展和我個(gè)人的一些看法給大家做個(gè)報(bào)告，希望能幫助到人工智能的未來發(fā)展。
大腦的整體結(jié)構(gòu)
首先從最簡單的講起，神經(jīng)系統(tǒng)有兩大類，一是中樞神經(jīng)系統(tǒng)，包括大腦、小腦、腦干、脊髓，另一種是外周神經(jīng)系統(tǒng)，主管知覺還有各種內(nèi)臟自主神經(jīng)系統(tǒng)。我們所說的腦科學(xué)主要專注于大腦，所以，腦科學(xué)是神經(jīng)科學(xué)的一部分。而大腦最主要的部位就是大腦皮層，這是我們?nèi)祟愖畎l(fā)達(dá)的一個(gè)部位，大腦之下的很多結(jié)構(gòu)，叫皮層下結(jié)構(gòu)，是比較早期就出現(xiàn)了的，不過在進(jìn)化中，從猴到猩猩到人，這個(gè)皮層的結(jié)構(gòu)得到了極大的增長，這就是人類認(rèn)知的主要來源。
腦科學(xué)最主要關(guān)注的質(zhì)疑就是皮層的各種功能?，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道，大腦皮層的各個(gè)部位是分管各種功能的，就是說，功能是分區(qū)的，你的哪個(gè)區(qū)域受損，就會(huì)喪失相應(yīng)的腦功能。比如語言區(qū)域受損就不會(huì)說話，視覺皮層受損就會(huì)看不見，對此的實(shí)驗(yàn)我們已經(jīng)確認(rèn)過很多次，形成公認(rèn)的認(rèn)知了：我們可以通過正電子成像的方法觀察大腦的活動(dòng)——在正常人的大腦中注入葡萄糖，產(chǎn)生活動(dòng)的地方就會(huì)有信號，我們在實(shí)驗(yàn)中觀察到當(dāng)被測者看到文字或別的東西的時(shí)候總是腦后部的一塊區(qū)域有活動(dòng)，我們基本就可以確定這一塊是主管視覺的區(qū)域，我們讓他講幾句話，發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)地方活動(dòng)，那這個(gè)地方基本就是語言區(qū)。但是我們觀察到一個(gè)非常令人驚訝的現(xiàn)象，我們讓他不做任何事，光想象幾個(gè)字，這時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)大腦皮層到處都是活動(dòng)，這說明想象幾個(gè)字雖然看起來是個(gè)很簡單的事，但是實(shí)際上牽涉到了大腦的很多部位，到底為什么會(huì)這樣我們至今還沒有弄清楚，所以我們說思考在腦科學(xué)上怎么解釋，我們還是不清楚的。
雷鋒網(wǎng)注：
正電子成像術(shù)是目前腦成像技術(shù)中應(yīng)用的最廣的方法之一，通過注射含有微量不會(huì)影響人健康的放射性元素的葡萄糖，我們可以在大腦外部用儀器探測到其散發(fā)出的放射線，而大腦工作時(shí)會(huì)消耗能量，會(huì)吸收掉葡萄糖，也就是說此時(shí)我們只要觀察哪個(gè)區(qū)域的放射信號在變?nèi)?，就能判斷那個(gè)區(qū)域正在工作。
“想象”會(huì)調(diào)用大部分腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)的事實(shí)正好契合了一個(gè)假設(shè)：人的大腦的潛在運(yùn)算能力其實(shí)非常強(qiáng)大，但人類在進(jìn)行心算的時(shí)候其實(shí)是無法用最高效的手段完成計(jì)算的，因?yàn)槿四X沒有那個(gè)能力。人腦會(huì)先將算式轉(zhuǎn)化成腦中抽象的概念，這需要調(diào)用到視覺中樞的功能，在模擬計(jì)算的時(shí)候我們又要調(diào)用許多高級功能，甚至在運(yùn)算比較復(fù)雜的算式的時(shí)候，我們考慮退位、進(jìn)位，還需要調(diào)用記憶功能。正是這種“低效”的計(jì)算方法才導(dǎo)致大腦的計(jì)算能力完全無法匹敵計(jì)算機(jī)。
不管是在對魚的或者對什么動(dòng)物的腦部實(shí)驗(yàn)，還是對人的腦部實(shí)驗(yàn)里，我們都發(fā)現(xiàn)，即使他們在不做任何事情的時(shí)候，腦部也是有許多自發(fā)活動(dòng)的，這些活動(dòng)的意義是什么，我們?nèi)匀徊磺宄?。這是神經(jīng)系統(tǒng)的研究目前面臨的一個(gè)大問題。
神經(jīng)元與突觸
為了進(jìn)一步的研究，我們把神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行了切片。我們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)里是密密麻麻的神經(jīng)細(xì)胞，如果我們只染色其中的少數(shù)細(xì)胞，我們會(huì)在顏色交界處發(fā)現(xiàn)其實(shí)它們有很多網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就是所謂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)系統(tǒng)的功能都是靠這些來實(shí)現(xiàn)的。人的大腦有上千億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，我們管它們叫神經(jīng)元，通過它們之間的互相連接，我們得到了一個(gè)由百萬億計(jì)的連接組成的一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用來進(jìn)行感知、運(yùn)動(dòng)、思維等各種功能，神經(jīng)元是有結(jié)構(gòu)的細(xì)胞，有輸入端也有輸出端，它的輸出端叫軸突，輸入端叫樹突。
我們在這里演示一個(gè)斯坦福大學(xué)實(shí)驗(yàn)室做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過特定方法的熒光染色，我們發(fā)現(xiàn)小鼠大腦的內(nèi)部有很規(guī)則的也有非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，在這張圖中，皮層上方的結(jié)構(gòu)排列比較整齊，下面的區(qū)域是另外一種樣式了。
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我們剛才看到的叫做介觀層面(注：這是一種介于宏觀和微觀之間的尺度)。在這個(gè)層面我們可以最好的探究不同種類的神經(jīng)細(xì)胞有什么樣不同的作用。宏觀太大，而微觀又使他們之間的關(guān)系變得不明顯。繪出介觀層面的結(jié)構(gòu)只是第一步，我們需要理解這里面的功能，需要理解它們的功能信息處理和功能機(jī)制。在過去的許多年里，我們對這個(gè)問題已經(jīng)有了比較清楚的答案，而且這個(gè)過程中誕生了一連串的諾貝爾獎(jiǎng)：細(xì)胞之間傳遞信息靠的是脈沖，其中包含的信息是由脈沖的頻率和時(shí)序決定的，而與幅度無關(guān)。脈沖在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而在細(xì)胞之間需要通信的時(shí)候，傳遞信息的細(xì)胞會(huì)從軸突上釋放出小泡，通過這些小泡中的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生離子流動(dòng)造成電位變化，在膜外傳播到下一個(gè)接收細(xì)胞的樹突上，這個(gè)過程非常復(fù)雜，我們叫做化學(xué)突觸傳遞，由于過程經(jīng)過了細(xì)胞外，因此這個(gè)過程是可以調(diào)節(jié)的，我們可以通過外接手段促進(jìn)或者壓抑這個(gè)信號，從而干預(yù)這個(gè)傳遞的過程和結(jié)果。
目前哪怕是做出一個(gè)200多層的好用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都已經(jīng)是值得大書特書一番的事情，而大腦中的神經(jīng)元如果硬要分層，不知道可以分成多少層了，當(dāng)然，雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的靈感來源于人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但它們的工作原理其實(shí)并不是很像。
生物好的小伙伴應(yīng)該記得(當(dāng)然如果忘記了也別氣餒XD)，在高中的生物書上學(xué)到神經(jīng)元這一節(jié)的時(shí)候，老師應(yīng)該拿麻醉劑舉過例子，麻醉劑的原理就是通過藥物堵塞神經(jīng)細(xì)胞間的離子通道，讓代表痛覺的信號極少，乃至無法傳遞至我們的大腦中，從而達(dá)到暫時(shí)消除痛覺的目的，這正是這個(gè)傳播方式的典型案例。
另外，在每一個(gè)突觸釋放多少化學(xué)物質(zhì)，接受多少化學(xué)物質(zhì)，都可以改變，這讓突觸變得非常有可塑性。而這個(gè)突觸可塑性就是神經(jīng)系統(tǒng)里信息處理的非常重要的關(guān)鍵，也是我們說的認(rèn)知學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，化學(xué)物質(zhì)在突觸產(chǎn)生的電信號我們叫突觸電位，興奮性突觸電位是使突觸后的膜電位有去極化下降，假如下降程度超過一個(gè)預(yù)值就發(fā)放脈沖，也就是神經(jīng)要發(fā)出的信號，但有些物質(zhì)產(chǎn)生超級化，就是使膜電位變的更高就會(huì)產(chǎn)生相反作用，一個(gè)神經(jīng)元接收到數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)輸入，我們叫做EPSP跟IPSP的輸入疊加之后，決定最后是不是超過閾值，超過閾值就發(fā)放，發(fā)放之后就是信號整合，就傳到下一個(gè)神經(jīng)元了，這是信息傳遞的原理。
環(huán)路、網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)活動(dòng)
接下來我們將更復(fù)雜一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)：環(huán)路。我們可以這樣理解：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整體的互相連接叫網(wǎng)絡(luò)，而在網(wǎng)絡(luò)之間有很多各種特殊功能的路徑，這些路徑就叫環(huán)路。也就是說，神經(jīng)環(huán)路的意思就是神經(jīng)元上有特殊功能的網(wǎng)絡(luò)，也是軸突與樹突形成的，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里抑制性神經(jīng)元有關(guān)鍵的作用。很多時(shí)候通過促進(jìn)和抑制的共同作用，我們才能完成一些行為活動(dòng)。
前面提到的這個(gè)神經(jīng)可塑性，我個(gè)人認(rèn)為是過去50年來對大腦的理解中最重要的理解，因?yàn)檫@個(gè)理解間接驗(yàn)證了一個(gè)假說：60年前加拿大的心理學(xué)家海布(Donald Olding Hebb)提出了這個(gè)假說：如果兩個(gè)細(xì)胞間多次發(fā)生同步的電活動(dòng)，那么它們突觸間的連接就會(huì)加強(qiáng)或者說穩(wěn)固，如果出現(xiàn)不同步的電活動(dòng)，這些突觸就會(huì)削弱甚至消失，我們管它叫海布學(xué)習(xí)法則?？梢岳斫鉃椋喝绻竽X經(jīng)常被同樣的東西刺激(在神經(jīng)元間產(chǎn)生同樣的電信號)，大腦就會(huì)對這個(gè)東西越來越敏感。這個(gè)說法在70、80年代得到了實(shí)驗(yàn)證據(jù)：電活動(dòng)可以造成突觸的長期強(qiáng)化或者長期弱化現(xiàn)象。如果你刺激高頻刺激突觸，維持一秒鐘，刺激后的突觸點(diǎn)位會(huì)比刺激前上升，而且這個(gè)上升的幅度可以維持很長一段時(shí)間，而如果使用低頻刺激，結(jié)果會(huì)是相反的，效率會(huì)下降，變得弱化。最近也有實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)小鼠活體在進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中，在神經(jīng)元之間產(chǎn)生了新的突觸，后來經(jīng)過觀察，這種新的突觸的產(chǎn)生在成年個(gè)體的大腦里面也會(huì)出現(xiàn)，但是出現(xiàn)的頻率會(huì)遠(yuǎn)小于發(fā)育過程中。
海布的這個(gè)假說非常了不起，神經(jīng)元的可塑性也支持了他的假說。而這個(gè)假說進(jìn)一步推理下去，還可以形成對感知記憶形成原理的一個(gè)假說：感知信息傳遞到大腦中之后，強(qiáng)化了一群神經(jīng)元之間的聯(lián)系，而這些被強(qiáng)化的聯(lián)系其實(shí)就是記憶。這些被感知信息所刺激而加強(qiáng)的細(xì)胞叫海布細(xì)胞群，在這之后，由于它們之間的關(guān)聯(lián)性是非常強(qiáng)的，只要你能通過其中的一部分信息刺激它，就能通過這部分信息使整個(gè)細(xì)胞群重新開始活動(dòng)。從而提取出所有記憶。
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