德?tīng)柭╤ttps://s3-media1.fl.yelpcdn.com/buphoto/3tHuhMv3wsCW6AaK-WS8lA/o.jpg）

今年的7月1日是美國(guó)生物學(xué)家埃德?tīng)柭℅erald Maurice Edelman）誕辰90周年紀(jì)念，而今天（5月17日）則是他的5周年忌辰。縱觀他半個(gè)多世紀(jì)的科學(xué)生涯，前一半貢獻(xiàn)給了免疫機(jī)制的研究，其高潮是1972年與英國(guó)生物學(xué)家波特（Rodney Robert Porter）分享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)；最后的35年則傾注給腦科學(xué)研究，特別是意識(shí)研究和神經(jīng)機(jī)器人研究。而達(dá)爾文主義的群體、競(jìng)爭(zhēng)和選擇思想則貫穿了埃德?tīng)柭目蒲惺冀K。本文并非是埃德?tīng)柭膫饔洠膊蝗娼榻B他對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)，而僅介紹他對(duì)腦的一些獨(dú)特見(jiàn)解和探索，特別是有關(guān)腦與機(jī)器的問(wèn)題。筆者以為其中既有發(fā)人深省之處，也有可以商榷的地方，值得人們深思。趁此機(jī)會(huì)，筆者也發(fā)表一點(diǎn)個(gè)人看法以與讀者共同商討。

撰文 | 顧凡及（復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)院）

神經(jīng)達(dá)爾文主義

在免疫系統(tǒng)中，人們?cè)缇椭揽贵w有一些特別的部位可以與任何外來(lái)分子或抗原進(jìn)行部分匹配，這對(duì)免疫防御至關(guān)重要。但是抗體怎樣和抗原匹配？傳統(tǒng)上認(rèn)為，抗體環(huán)繞著抗原折疊，并且以適當(dāng)?shù)男问桨研纬傻恼郫B保持下來(lái)，這是一種“指令性”的理論。埃德?tīng)柭鼌s發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此：變異會(huì)產(chǎn)生各種各樣的抗體，每種抗體都有不同的結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)各種各樣不同的抗體碰到某個(gè)外來(lái)分子以后，只有那些適合外來(lái)分子（抗原）結(jié)構(gòu)的抗體會(huì)被選中增生。這和物種進(jìn)化過(guò)程中群體通過(guò)變異和選擇適應(yīng)環(huán)境很類(lèi)似，雖然兩者在時(shí)空尺度上相差很大——他把前者（抗體的變異和選擇）稱(chēng)為是一種“軀體選擇”。

埃德?tīng)柭谧龀鲞@樣的發(fā)現(xiàn)之后，開(kāi)始考慮腦功能很可能也像免疫機(jī)制一樣是作為兩種選擇過(guò)程——自然選擇和軀體選擇——的結(jié)果而產(chǎn)生的。人腦是漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中自然選擇的產(chǎn)物，除此之外，腦與神經(jīng)回路的結(jié)構(gòu)和功能也可能是在發(fā)育過(guò)程、后天學(xué)習(xí)過(guò)程中由神經(jīng)元群競(jìng)爭(zhēng)和選擇的結(jié)果。這一思考最終轉(zhuǎn)化為1987年出版的《神經(jīng)達(dá)爾文主義》^[1]。這本書(shū)剛剛問(wèn)世就引起了很大的反響和爭(zhēng)議。

埃德?tīng)柭J(rèn)為，達(dá)爾文主義的精髓是從群體的觀點(diǎn)出發(fā)去考慮問(wèn)題：一個(gè)群體中的個(gè)體具有各種各樣的變異（即多樣性），這是自然選擇所必需的“競(jìng)爭(zhēng)”的基礎(chǔ)——自然選擇就是從一個(gè)物種群體中分化出那些能適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體，并讓它們繁殖下去。要而言之，選擇性系統(tǒng)需要在有各種變異的個(gè)體中不斷產(chǎn)生多樣性，按照這些變種能否適應(yīng)環(huán)境進(jìn)行選擇，并且更多地繁殖（也就是放大）那些更能適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體。埃德?tīng)柭l(fā)現(xiàn)免疫系統(tǒng)是這樣，腦也一樣：每個(gè)腦最突出的特點(diǎn)就是其個(gè)體性和多變性。腦的所有組織層次上都表現(xiàn)出這種多變性，它使腦在面對(duì)未知世界的各種信號(hào)時(shí)，得以選擇和增強(qiáng)那些能使機(jī)體適應(yīng)環(huán)境的神經(jīng)元群之間的聯(lián)系。他由此提出了“神經(jīng)達(dá)爾文主義”，其主要內(nèi)容是：

1發(fā)育選擇

雖然腦的宏觀解剖結(jié)構(gòu)是由遺傳因素決定的，但每一個(gè)個(gè)體的神經(jīng)元在突觸水平上相互聯(lián)結(jié)并組織成功能性神經(jīng)元群卻是在生長(zhǎng)和發(fā)育期間由軀體選擇確定的，處于同一神經(jīng)元群中的神經(jīng)元之間聯(lián)系更強(qiáng)。這個(gè)過(guò)程使神經(jīng)回路產(chǎn)生了巨大的多樣性——沒(méi)有兩個(gè)人的同一腦區(qū)會(huì)有完全相同的突觸結(jié)構(gòu)。因其高度的功能可塑性和多樣性，神經(jīng)元群能自我組織成許多復(fù)雜且適應(yīng)性強(qiáng)的“模塊”。

2經(jīng)驗(yàn)選擇

從發(fā)生直到死亡，在腦的整個(gè)發(fā)育過(guò)程中，各種各樣的神經(jīng)元群中都在不斷地進(jìn)行著突觸選擇。期間，神經(jīng)元群之間的聯(lián)系既可能加強(qiáng)也可能被削弱，并受到“價(jià)值”的約束。所謂“價(jià)值”，是指動(dòng)物先天對(duì)環(huán)境和動(dòng)作后果的利害判斷。埃德?tīng)柭J(rèn)為，價(jià)值系統(tǒng)是由一些神經(jīng)回路構(gòu)成的，它們彌散性地投射到廣大腦區(qū)，并分泌各種神經(jīng)遞質(zhì)或神經(jīng)調(diào)質(zhì)作為價(jià)值信號(hào)。動(dòng)物通過(guò)其價(jià)值系統(tǒng)調(diào)整行為、適應(yīng)環(huán)境；價(jià)值系統(tǒng)向腦的其他部分發(fā)出非特異性的調(diào)制信號(hào)，從而改變突觸效能以滿(mǎn)足機(jī)體的整體需求；主體的行為結(jié)果也會(huì)不斷修飾這一調(diào)制過(guò)程。

3復(fù)饋

復(fù)饋是指不同腦區(qū)之間不斷進(jìn)行著的雙向信號(hào)交流，由此把這些腦區(qū)在時(shí)空兩方面關(guān)聯(lián)起來(lái)。復(fù)饋使得不同腦區(qū)中神經(jīng)元群的活動(dòng)同步化，并把它們綁定成某種整體。因此，復(fù)饋是在時(shí)空上協(xié)調(diào)各類(lèi)感覺(jué)事件和運(yùn)動(dòng)事件的核心機(jī)制。

腦不是計(jì)算機(jī)

從數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生之日起，人們就一直把計(jì)算機(jī)稱(chēng)為“電腦”，直到今天也還有許多人認(rèn)為腦就是一種計(jì)算機(jī)，只要計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)量足夠，那么就可以完成腦的一切功能，甚至全面超越人腦^[2]。他們忽略了腦和計(jì)算機(jī)的許多本質(zhì)差別，所以他們的結(jié)論也就有了問(wèn)題。

埃德?tīng)柭谔岢錾窠?jīng)達(dá)爾文主義之后，就一再指出，腦是進(jìn)化的產(chǎn)物，是一種選擇系統(tǒng)，這種選擇體現(xiàn)在上面所講的發(fā)育選擇、經(jīng)驗(yàn)選擇和廣泛的復(fù)饋聯(lián)結(jié)之上。腦有極其豐富的多樣性，從各種層次來(lái)說(shuō)，都沒(méi)有兩個(gè)腦是完全一樣的；而計(jì)算機(jī)則是人設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)物，是一種指令系統(tǒng)，同一型號(hào)的計(jì)算機(jī)在結(jié)構(gòu)上完全一樣，邏輯是計(jì)算機(jī)的主要工作原則。

具體來(lái)說(shuō)，按照埃德?tīng)柭目捶?sup>[3]，腦和傳統(tǒng)意義下的計(jì)算機(jī)存在下列差別：

01

沒(méi)有兩個(gè)腦像同一型號(hào)的計(jì)算機(jī)一樣會(huì)完全相同，即使同卵雙胞胎的腦也不會(huì)完全一樣。腦中所有的聯(lián)結(jié)都不精確，都要隨發(fā)育和經(jīng)歷而不斷變化，發(fā)育過(guò)程和后天經(jīng)歷都獨(dú)一無(wú)二地印記于每個(gè)腦中，每一天，腦中的突觸聯(lián)結(jié)都會(huì)發(fā)生或大或小的變化，所有這一切都有賴(lài)于這個(gè)腦的特定歷史。這種千差萬(wàn)別使得每個(gè)腦都獨(dú)一無(wú)二——個(gè)體差異并不只是噪聲或誤差，它們會(huì)影響到我們記憶事情的方式，也是腦能夠適應(yīng)將來(lái)可能發(fā)生的、無(wú)數(shù)不可預(yù)測(cè)事件并對(duì)其起反應(yīng)的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)在還沒(méi)有哪一種人造的機(jī)器在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)把該類(lèi)機(jī)器的多樣性作為一條主要原則來(lái)加以考慮。相反，在人造系統(tǒng)中，同一型號(hào)的機(jī)器，結(jié)構(gòu)都是完全相同的，不同種類(lèi)結(jié)構(gòu)元件的數(shù)量要盡可能少，同一種元件要規(guī)范化，并且要盡量減少冗余。而腦則可以通過(guò)許多不同的回路實(shí)現(xiàn)同樣的、或類(lèi)似的功能，埃德?tīng)柭Q(chēng)此為“簡(jiǎn)并”，這大大增強(qiáng)了腦工作的魯棒性。腦所接收到的信號(hào)并不像給計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)那樣精確。腦要依靠其記憶和“價(jià)值”對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行知覺(jué)上的分類(lèi)，也就是把不同的刺激分成一些對(duì)其生存有意義的類(lèi)別。計(jì)算機(jī)則根據(jù)預(yù)先規(guī)定好的編碼方案把接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成確切無(wú)誤的代碼。

02

腦中存在大量的復(fù)饋聯(lián)結(jié)。在腦內(nèi)相互聯(lián)結(jié)的區(qū)域之間，不斷發(fā)生著并行的遞歸性相互交換，這些相互交換在時(shí)空兩個(gè)方面不斷地協(xié)調(diào)著這些區(qū)域的活動(dòng)。這種相互交換（也就是復(fù)饋）不同于單純的反饋，它有許多并行的通道，并且沒(méi)有特別的指令性誤差函數(shù)。復(fù)饋?zhàn)盍钊梭@異的結(jié)果之一，是分布在許多不同功能區(qū)的不同神經(jīng)元群的活動(dòng)能夠大范圍同步。由復(fù)饋所聯(lián)結(jié)起來(lái)的、分布各處的神經(jīng)元的同步發(fā)放是知覺(jué)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)過(guò)程整合的基礎(chǔ)。這種整合最終導(dǎo)致知覺(jué)分類(lèi)，使得腦為了“適應(yīng)”，能夠把一個(gè)對(duì)象或是事件從背景中區(qū)別出來(lái)。計(jì)算機(jī)靠的是中央處理器、時(shí)鐘和各種算法、指令，來(lái)協(xié)調(diào)功能上分離的各個(gè)區(qū)域，而腦則并不依靠這一切。

03

在計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)（也就是記憶）是把外界信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼以后一絲不差地寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中，當(dāng)讀出時(shí)又完全恢復(fù)原樣，所以存儲(chǔ)的信號(hào)是對(duì)原信號(hào)的一種表征。但是腦中的記憶是非表征性的。埃德?tīng)柭J(rèn)為，在價(jià)值約束的條件之下，從外界或者腦的其他部分來(lái)的信號(hào)，會(huì)從現(xiàn)有的大量可能回路中選取某個(gè)回路，并改變其突觸效能或強(qiáng)度。至于是哪些特定的突觸發(fā)生改變，則取決于以前的經(jīng)驗(yàn)，也取決于價(jià)值系統(tǒng)。當(dāng)以后“回想”時(shí)，不一定得百分之百觸發(fā)原先那個(gè)回路，而只要產(chǎn)生與過(guò)去類(lèi)似的反應(yīng)即可，這就成了“復(fù)現(xiàn)”或“不重復(fù)做某個(gè)智力活動(dòng)或身體活動(dòng)（埃德?tīng)柭J(rèn)為這就是記憶的含義）”的基礎(chǔ)。這種觀點(diǎn)認(rèn)為，記憶是由所有神經(jīng)回路中某些選定出來(lái)的子集合的活動(dòng)動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生的。這些子集合是簡(jiǎn)并的，也就是說(shuō)不同子集合可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能：比較可以發(fā)現(xiàn)，不同子集合包含的回路并不完全一樣；但是激活任何一個(gè)子集合，都能夠復(fù)現(xiàn)某個(gè)特定的輸出。正是由于神經(jīng)回路具備這種簡(jiǎn)并性，當(dāng)外界條件發(fā)生變化和有了新經(jīng)驗(yàn)的時(shí)候，特定的記憶就可以發(fā)生變化。因此，在一個(gè)簡(jiǎn)并選擇性系統(tǒng)中的記憶是一種重建而不是嚴(yán)格復(fù)制。決定記憶分類(lèi)的并不是預(yù)先設(shè)定好的某些代碼，而是先前的網(wǎng)絡(luò)群體結(jié)構(gòu)、價(jià)值系統(tǒng)的狀態(tài)，以及在特定時(shí)刻所執(zhí)行的身體動(dòng)作。這種記憶方式雖然犧牲了精確性，卻為聯(lián)想和創(chuàng)造性創(chuàng)造了條件。

04

腦中存在有一些特殊的有彌散性投射的核團(tuán)——價(jià)值系統(tǒng)。遇到突發(fā)事件，價(jià)值系統(tǒng)會(huì)向整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)通知；它也會(huì)根據(jù)個(gè)體行為的利害（獎(jiǎng)懲）而大范圍地改變突觸強(qiáng)度。獎(jiǎng)勵(lì)將使動(dòng)物以后在類(lèi)似環(huán)境下加強(qiáng)同樣的行為，懲罰的作用則正好相反。所以，埃德?tīng)柭J(rèn)為腦并非圖靈機(jī)，這和現(xiàn)在某些人工智能專(zhuān)家的看法正好相反^[4]。

如果腦不是一種圖靈機(jī)，那么對(duì)它的工作就需要另作解釋。埃德?tīng)柭J(rèn)為神經(jīng)達(dá)爾文主義就可以給出較好的解釋?zhuān)耗X在進(jìn)化中由自然選擇（它決定了價(jià)值約束和腦的主要結(jié)構(gòu)）產(chǎn)生出來(lái)之后，每個(gè)個(gè)體腦都要經(jīng)歷軀體選擇。腦并不受一組有效程序的指導(dǎo)，而是為一組簡(jiǎn)并的有效結(jié)構(gòu)所支配。這種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)決定了它的相關(guān)活動(dòng)是由選擇引起的，而不是由邏輯規(guī)則產(chǎn)生的。與此相反，現(xiàn)行計(jì)算機(jī)的運(yùn)作則完全基于邏輯之上。埃德?tīng)柭幸粋€(gè)大膽的猜想：不管是有機(jī)體還是將來(lái)某一天造出的人造物，一共只有兩種基本類(lèi)型——圖靈機(jī)和選擇性系統(tǒng)。因?yàn)橹挥羞@兩種基本的思維模式：選擇主義和邏輯——腦和計(jì)算機(jī)正是這兩種不同模式的典型。

達(dá)爾文機(jī)系列

雖然腦和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)（在馮·諾依曼架構(gòu)的意義下）從工作原理上來(lái)說(shuō)有著本質(zhì)的區(qū)別，但是埃德?tīng)柭嘈牛凑漳X的選擇原理構(gòu)造出的人工裝置，可以執(zhí)行腦的某些功能。構(gòu)造的關(guān)鍵在于機(jī)器的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，而并不在于其構(gòu)成材料。在現(xiàn)階段，用計(jì)算機(jī)模擬腦的某些局部組織和功能是有可能的。埃德?tīng)柭谕砟杲⒘艘凰窠?jīng)科學(xué)研究所，該所研制了一系列稱(chēng)為“達(dá)爾文機(jī)”（Darwin series of automata）的仿腦機(jī)（brain-based devices, BBDs）——之所以稱(chēng)為達(dá)爾文機(jī)，是為了紀(jì)念選擇進(jìn)化理論的奠基人達(dá)爾文。

這是一些由計(jì)算機(jī)“腦”控制的、可以在實(shí)際環(huán)境中自由行動(dòng)并執(zhí)行特定任務(wù)的機(jī)器人。通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)，機(jī)器人把它的傳感器所接收到的信號(hào)傳輸給“腦”，“腦”經(jīng)過(guò)一系列工作之后，再把運(yùn)動(dòng)命令傳輸給機(jī)器人。一開(kāi)始，仿腦機(jī)中的“神經(jīng)元”是按照已知的解剖結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)成回路的；但是在和環(huán)境相互作用的過(guò)程中，回路中的神經(jīng)元之間的連接權(quán)重會(huì)按照某種獎(jiǎng)懲原則發(fā)生變化。對(duì)每個(gè)仿腦機(jī)來(lái)說(shuō)，這種變化的模式都是獨(dú)特的，因?yàn)樗鼈兊慕?jīng)歷不一樣。

雖然這些機(jī)器還遠(yuǎn)談不上有意識(shí)，但是它們已經(jīng)可以不需要明確的指令，而是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)知覺(jué)分類(lèi)、學(xué)習(xí)、建立條件反射、學(xué)會(huì)情景性記憶、并在真實(shí)世界中定位和尋找目標(biāo)^[5] 。埃德?tīng)柭闹饕康氖怯梅履X機(jī)來(lái)檢驗(yàn)他對(duì)腦工作機(jī)制的一些設(shè)想，當(dāng)然他也承認(rèn)還需要對(duì)各種動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)。然而，在同一動(dòng)物身上很難（甚至不可能）同時(shí)（甚至先后）在分子到行為的各種層次上記錄腦和身體的活動(dòng)，這樣也就很難、甚至不可能發(fā)現(xiàn)復(fù)雜神經(jīng)過(guò)程和行為所必需的多層次相互作用。而使用達(dá)爾文機(jī)則可以詳細(xì)研究這種跨層次的相互作用，從而幫助我們認(rèn)識(shí)腦的多層次作用及其與行為的關(guān)系。

1981年以來(lái)，埃德?tīng)柭_(kāi)發(fā)了一系列的達(dá)爾文機(jī)，開(kāi)始是一些軟件，從1992年開(kāi)始構(gòu)建硬件。達(dá)爾文機(jī)的控制中樞是根據(jù)脊椎動(dòng)物腦的組織結(jié)構(gòu)建立起來(lái)的，它通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。和傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，達(dá)爾文機(jī)是一種“選擇系統(tǒng)（selectional system）”，而不是“指令系統(tǒng)”，也就是說(shuō)，它是通過(guò)從許多不同的仿真神經(jīng)回路中進(jìn)行選擇來(lái)學(xué)習(xí)的，而不是按照事先編制好的程序指令來(lái)工作的。埃德?tīng)柭热碎_(kāi)發(fā)了一系列不同型號(hào)的仿腦機(jī)，模仿不同腦區(qū)的功能，本文只介紹某些典型的型號(hào)及其模仿的腦功能^[6]。

1運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)

圖1. 達(dá)爾文機(jī)在路徑中穿行。經(jīng)過(guò)幾次摸索，基于小腦模型結(jié)構(gòu)的達(dá)爾文機(jī)就可自行學(xué)會(huì)在復(fù)雜的過(guò)道中行走而不碰到路邊的東西。^[7]

圖1是一個(gè)基于小腦模型結(jié)構(gòu)的仿腦機(jī)。它根據(jù)視覺(jué)運(yùn)動(dòng)線(xiàn)索，采用預(yù)測(cè)控制，可以學(xué)會(huì)在彎曲小徑中穿行而不碰到兩側(cè)的交通錐。開(kāi)始時(shí)，它的行為很笨拙，只有碰到障礙物或離障礙物很近時(shí)，才觸發(fā)紅外傳感器，采取“反射”行動(dòng)躲開(kāi)或是停下來(lái)；但是在經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)以后，它靠自己運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的光流信號(hào)就可以預(yù)測(cè)環(huán)境，從而使穿行越來(lái)越順利^[7]。

2學(xué)習(xí)記憶系統(tǒng)

圖2. 達(dá)爾文機(jī)10號(hào)在迷宮中找“看不見(jiàn)”的目標(biāo)（見(jiàn)左側(cè)示意圖）。中間的方框表示迷宮，其右上角的黑圓表示“看不見(jiàn)”的目標(biāo)，四周的彩色條表示在迷宮四邊墻上顯示的圖形標(biāo)記，數(shù)字表示在四次實(shí)驗(yàn)中，達(dá)爾文機(jī)（中心的圖標(biāo)）的四個(gè)不同的出發(fā)點(diǎn)。實(shí)際情形見(jiàn)右側(cè)圖。^[8]

達(dá)爾文機(jī)10號(hào)（圖2）主要模仿的是腦中一個(gè)稱(chēng)為海馬的結(jié)構(gòu)及其附近的腦結(jié)構(gòu)（圖3），它能模仿莫里斯（Morris）著名的水迷宮實(shí)驗(yàn)：在迷宮中找到目標(biāo)。

莫里斯的水迷宮實(shí)驗(yàn)是這樣做的：把老鼠放到一個(gè)盛滿(mǎn)了牛奶狀液體的池子中，在液面下隱藏著一個(gè)老鼠可以安身的平臺(tái)，老鼠在亂游一氣之后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)平臺(tái)可以休息。池子周?chē)膲Ρ谏袭?huà)有不同的標(biāo)記。經(jīng)過(guò)幾次以后，不論在什么地方把老鼠放入池中，它都會(huì)徑直游向平臺(tái)。如果破壞了老鼠的海馬，它就再也做不到這一點(diǎn)了。

圖3. 人腦中的海馬結(jié)構(gòu)（來(lái)源：http://www.goodtherapy.org/blog/blog/wp-content/uploads/2015/04/hippocampus-female-brain.jpg）

埃德?tīng)柭捌渫略诿詫m的墻上涂上不同寬度的色條作為視覺(jué)線(xiàn)索。經(jīng)過(guò)一番探索，達(dá)爾文機(jī)10號(hào)從任何起始點(diǎn)都可以憑記憶和墻上的線(xiàn)索直接走向某個(gè)隱藏地點(diǎn)（只有當(dāng)機(jī)器正好位于這個(gè)地點(diǎn)時(shí)才會(huì)接收到一個(gè)紅外線(xiàn)的獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)，在其它地方用它的“視覺(jué)系統(tǒng)”是看不到這個(gè)信號(hào)的）。如果完成訓(xùn)練后暗中把平臺(tái)移走，達(dá)爾文機(jī)10號(hào)會(huì)和老鼠一樣，在原來(lái)有平臺(tái)的地點(diǎn)打轉(zhuǎn)。達(dá)爾文機(jī)10號(hào)的訓(xùn)練完成后，埃德?tīng)柭梢哉业津?qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)單位，然后追溯所有神經(jīng)單位之間相互連接的類(lèi)型和強(qiáng)度的變化過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可能有大量各不相同的路徑和回路都能最終驅(qū)動(dòng)10號(hào)機(jī)走向平臺(tái)。也就是說(shuō)，不同的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生相同的輸出——這正是埃德?tīng)柭?jīng)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)工作原理做出的猜測(cè)：“簡(jiǎn)并”。這一研究表明他的猜測(cè)很可能是對(duì)的，但要做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)卻很難。

3價(jià)值系統(tǒng)和動(dòng)作選擇

圖4. 達(dá)爾文機(jī)7號(hào)在撿取頂上有條紋圖形的方塊。^[9]

達(dá)爾文機(jī)7號(hào)有20,000個(gè)仿真的神經(jīng)單位和450,000個(gè)突觸聯(lián)結(jié)。它可以在環(huán)境中自由行走，避開(kāi)障礙物，去取它看到的東西。它有兩個(gè)攝像機(jī)作為“眼睛”和一對(duì)微音器作為“耳朵”，在其“手掌”上還有測(cè)量電導(dǎo)的傳感器。設(shè)計(jì)者只在達(dá)爾文機(jī)7號(hào)的“腦”中設(shè)置兩條初始“價(jià)值觀”：①光亮是好的，②拾取到的物體的表面電導(dǎo)高是好的；其它一切就要靠它自己和環(huán)境打交道來(lái)獲取了。

當(dāng)達(dá)爾文機(jī)7號(hào)在實(shí)驗(yàn)室里游逛時(shí)，它會(huì)遇到一些頂上涂有條紋記號(hào)或圓斑記號(hào)的金屬積木。當(dāng)它拿起上面有條紋記號(hào)的積木時(shí)，發(fā)現(xiàn)其表面電導(dǎo)高，它就知道這是“好味道”，而如果它取起上面有圓斑的積木，發(fā)現(xiàn)表面電導(dǎo)低，它就認(rèn)為是“壞味道”。這樣它就把“味道”和看到的圖像聯(lián)系了起來(lái)，經(jīng)過(guò)多次這樣的經(jīng)驗(yàn)以后，它就只靠視覺(jué)來(lái)拾取有好味道的積木（圖4），這實(shí)際上是模仿了操作條件反射。一開(kāi)始（仿真）神經(jīng)元是按照已知的解剖結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)成回路的，但是在和環(huán)境相互作用的過(guò)程中，這些回路中的神經(jīng)元之間的連接權(quán)重會(huì)發(fā)生變化。而對(duì)每個(gè)仿腦機(jī)來(lái)說(shuō)，變化的模式都是唯一的，因?yàn)樗鼈兊慕?jīng)歷不一樣^[9]。

仿腦機(jī)的特點(diǎn)是它能直接和環(huán)境互動(dòng)，主動(dòng)從和環(huán)境打交道的過(guò)程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，而不是由程序員規(guī)定輸入，也不是由程序員規(guī)定每一步動(dòng)作所需遵循的程序。筆者以為，這些是動(dòng)物和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)質(zhì)性區(qū)別之一。這種區(qū)別就像是只能由別人放給你看旅游錄像片和你自己到當(dāng)?shù)匾挥蔚牟町悺Ｊ聦?shí)上，即使是人，如果從小就缺乏和環(huán)境的互動(dòng)，特別是與人類(lèi)社會(huì)的互動(dòng)，就不可能發(fā)展出高度的智能。仿腦機(jī)在這方面邁出了重要的一步。

盡管取得了這些不俗的成就，埃德?tīng)柭耘f很清醒。2007年，他說(shuō)道：

仿腦機(jī)依然還只處于它的早期階段。……仿腦機(jī)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是發(fā)展出一種有意識(shí)的人工物，雖然機(jī)器意識(shí)充其量也還只是一種遙遠(yuǎn)的希望。我們成功地建造了各種仿腦機(jī)，它們有很好的記憶系統(tǒng)，能夠進(jìn)行知覺(jué)分類(lèi)，在這方面開(kāi)了一個(gè)好頭，如果在十年以前，這會(huì)被認(rèn)為是科學(xué)幻想^[10] 。

他還說(shuō)道：

我認(rèn)為很有可能在將來(lái)某一天造出一臺(tái)有意識(shí)的機(jī)器。但這還是一個(gè)很遙遠(yuǎn)的目標(biāo)，而且即使真做到了這一點(diǎn)，這種機(jī)器還是不大可能挑戰(zhàn)我們至高無(wú)上的地位。要知道腦必須依附于身體，而我們又身處某種生態(tài)龕或文化之中，這很難復(fù)制，哪怕只是模仿想^[11]。

埃德?tīng)柭Ｍ倪_(dá)爾文機(jī)不僅有助于闡明神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)機(jī)制，而且有朝一日也可以付諸實(shí)際應(yīng)用。但他在2014年過(guò)世，沒(méi)有機(jī)會(huì)看到這一天了。

除了上面介紹的這一系列問(wèn)題之外，埃德?tīng)柭蟀肷哪X研究還集中在意識(shí)領(lǐng)域，并寫(xiě)了一系列專(zhuān)著^{[3,5,11,12,13]}。本文篇幅所限，在這里就不展開(kāi)了。有興趣的讀者可以讀一下筆者今年重譯的《意識(shí)的宇宙》^[3]，這是埃德?tīng)柭谶@方面最有代表性的著作。

幾點(diǎn)思考

在今天人工智能的熱潮中，人們自然會(huì)想到埃德?tīng)柭倪@一系列研究和人工智能的關(guān)系問(wèn)題。他的思想對(duì)我們有什么啟發(fā)？是不是其中也有可以商榷之處？筆者想就此發(fā)表一點(diǎn)管見(jiàn)，和讀者共同探討。

01

其實(shí)，人工智能是面大旗，在這面大旗之下，聚集了許多目的根本不同的研究者，他們研究的問(wèn)題分屬不同的子學(xué)科。在這方面，王培教授已經(jīng)有大量論述^[14]，他指出：“在人工智能的旗幟下，不同的人實(shí)際上在干不同的事：有構(gòu)建腦模型的，有模擬人類(lèi)行為的，有開(kāi)拓計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的，有設(shè)計(jì)新算法的，有總結(jié)思維規(guī)律的。雖然這些研究都有價(jià)值且有聯(lián)系，但它們不可以彼此替代，而把它們混為一談則容易導(dǎo)致思想混亂。”按照王培的分類(lèi)，其中的第一派被稱(chēng)為“結(jié)構(gòu)派”，這一派認(rèn)為，既然人類(lèi)智能是人腦的產(chǎn)物，那么似乎“盡可能忠實(shí)地模擬人腦結(jié)構(gòu)”就是實(shí)現(xiàn)人工智能的最可靠途徑了。“各種腦模型試圖不僅在細(xì)節(jié)上（如神經(jīng)元及其相互聯(lián)系）而且在大尺度上（如層次和區(qū)域）都忠實(shí)于人腦結(jié)構(gòu)” 著^[14]。

王培認(rèn)為，“盡管結(jié)構(gòu)派的理由看上去很有說(shuō)服力，但在人工智能界只是個(gè)少數(shù)派。除了其復(fù)雜性令人望而卻步之外，這一思路最常被人挑戰(zhàn)的問(wèn)題是其必要性。人腦作為進(jìn)化的產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)自然會(huì)反映某些歷史的偶然性。作為一個(gè)生物器官，人腦結(jié)構(gòu)的生物性特征對(duì)于機(jī)電設(shè)備來(lái)說(shuō)也未必都有被模擬的必要。即使是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，人腦也一般只是被用作靈感的源泉，而非設(shè)計(jì)的依據(jù)。”^[14] 筆者以為這些說(shuō)法很有見(jiàn)地。按照王培的分類(lèi)來(lái)看，埃德?tīng)柭姆履X機(jī)無(wú)疑屬于結(jié)構(gòu)派，其研究目的主要是闡明腦功能。當(dāng)然埃德?tīng)柭蚕Ｍ阉难芯砍晒吨T實(shí)用，但是否真能得到推廣，就是另一個(gè)問(wèn)題了。利用仿腦機(jī)，埃德?tīng)柭?yàn)證了他的某些假設(shè)是否有可能在神經(jīng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)（例如簡(jiǎn)并），但仿真畢竟只是仿真，只是對(duì)假設(shè)的支持而非證明——最終的證明還得靠生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。

02

另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是腦和計(jì)算機(jī)的關(guān)系。沒(méi)有人會(huì)反對(duì)從腦研究中尋求啟發(fā)，以幫助解決工程技術(shù)問(wèn)題。關(guān)鍵是，在人工智能的進(jìn)一步發(fā)展中，究竟是必須照搬腦機(jī)制來(lái)解決問(wèn)題呢，還是僅從腦研究中尋求啟發(fā)，而所用的手段主要還是工程技術(shù)手段？筆者的管見(jiàn)是傾向后者。

埃德?tīng)柭赋龅哪X和計(jì)算機(jī)的區(qū)別，當(dāng)然指的是腦和傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)下的數(shù)字計(jì)算機(jī)的區(qū)別。我以為他所講的實(shí)質(zhì)在于腦的多樣性、在硬件上的競(jìng)爭(zhēng)和選擇。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，機(jī)器都不會(huì)采取這些作為設(shè)計(jì)的原則。非表征性記憶和目前的存儲(chǔ)根本不同，但是如果僅就記憶這一功能來(lái)說(shuō)——而不計(jì)聯(lián)想和創(chuàng)造——沒(méi)有一位工程師會(huì)喜歡存儲(chǔ)之物在每次取出時(shí)都會(huì)改變或重建。另外，在神經(jīng)科學(xué)界，主流見(jiàn)解似乎仍認(rèn)為記憶是一種表征。筆者以為，埃德?tīng)柭姆潜碚饔洃浖僬f(shuō)對(duì)于理解虛假記憶（這是經(jīng)常發(fā)生的）很有啟發(fā)。同時(shí)，由非表征記憶方式帶來(lái)的聯(lián)想和創(chuàng)造，也回答了筆者自己一個(gè)長(zhǎng)期的疑問(wèn)：“我們的記憶既然那么不可靠，那么工程技術(shù)從生物記憶中可以學(xué)習(xí)些什么？”目前對(duì)此問(wèn)題的研究還很少，由此還應(yīng)該思考些什么，都值得探討。

至于埃德?tīng)柭v的其他各點(diǎn)，他在世時(shí)情況確實(shí)大體如此，不過(guò)，經(jīng)過(guò)這些年的技術(shù)發(fā)展，腦與機(jī)器的界限多多少少變得不那么絕對(duì)了。比如說(shuō)，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的輸入已經(jīng)不一定要求程序員給出嚴(yán)格的代碼了，圖像和語(yǔ)言都可以作為輸入，計(jì)算機(jī)所接收的信息也不再必須是程序員“喂”給它的了，像達(dá)爾文機(jī)這樣的機(jī)器已經(jīng)可以主動(dòng)給自己輸入；雖然現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)還幾乎沒(méi)有用到復(fù)饋，但是像遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這樣的軟件已經(jīng)有了復(fù)饋的萌芽；而現(xiàn)在大紅大紫的強(qiáng)化算法則與“價(jià)值系統(tǒng)”執(zhí)行著同樣的原則；甚至軟件上的遺傳算法和進(jìn)化算法也用到了競(jìng)爭(zhēng)和選擇的思想。但這些依然只是原則上的借鑒，而不是細(xì)節(jié)上的照搬。在細(xì)節(jié)上，兩者的差別依舊很大，例如對(duì)接收到的輸入信號(hào)，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)極少對(duì)多模態(tài)信號(hào)進(jìn)行綜合，也不會(huì)對(duì)其進(jìn)行知覺(jué)分類(lèi)。主動(dòng)收集不精確的外界信號(hào)也依然只是例外而非常規(guī)。當(dāng)然，人們可以爭(zhēng)辯說(shuō)隨著研究的深入，這些差別都是可以彌合的。此話(huà)雖然從原則上來(lái)說(shuō)是不錯(cuò)的，但是否實(shí)際可行，以及帶來(lái)的好處和代價(jià)都還是問(wèn)題。因此埃德?tīng)柭赋龅哪X與機(jī)器的差別，值得我們深思，對(duì)于我們向腦學(xué)什么，以及怎樣學(xué)都會(huì)有啟發(fā)。筆者以為，從實(shí)際應(yīng)用方面來(lái)看，必須從工程實(shí)現(xiàn)的可行性出發(fā)，看腦的哪些原則可以作為借鑒，哪些性質(zhì)則在目前無(wú)法照搬、或解決不了實(shí)際問(wèn)題。現(xiàn)在的自動(dòng)駕駛汽車(chē)并沒(méi)有采用仿腦機(jī)的路線(xiàn)，用的還是人工智能技術(shù)就是一個(gè)例子。

03

還有一個(gè)反過(guò)來(lái)的情況：目前的神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)也借用了大量信息科學(xué)的概念，如“表征”、“編碼”、“計(jì)算”等。當(dāng)然，多學(xué)科交叉對(duì)于打開(kāi)思路、借用其他學(xué)科的成果很有益，但是我們也不能陷入盲目，而應(yīng)該思考這些概念是否適用于腦，以及適用的范圍。有些概念如“表征”、“編碼”等在感覺(jué)信號(hào)接收的早期階段有意義，但是一旦進(jìn)入到知覺(jué)階段，我們感受到的就不再是刺激的表征，而要加上記憶和價(jià)值約束以后的意義。再舉一例，筆者曾經(jīng)問(wèn)了許多專(zhuān)家：腦中的“計(jì)算”究竟是什么意思？指的就是數(shù)字計(jì)算機(jī)中所執(zhí)行的那些操作嗎？如果是的話(huà)，腦是如何具體實(shí)現(xiàn)這些操作的？如果腦中的計(jì)算就是計(jì)算機(jī)中執(zhí)行的那些操作，那么現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)只要加快速度和增大存儲(chǔ)量就應(yīng)該能執(zhí)行腦的任何功能，包括創(chuàng)造性和意識(shí)在內(nèi)，這是頗成問(wèn)題的；如果不是，那么腦中的計(jì)算究竟指的是什么？有哪些超出圖靈意義下的計(jì)算？可惜迄今為止還沒(méi)有任何人給筆者一個(gè)令人滿(mǎn)意的回答。因此，如何恰當(dāng)使用這些概念也都值得生物學(xué)家仔細(xì)權(quán)衡。

04

關(guān)于“機(jī)器是否可以有意識(shí)”這個(gè)問(wèn)題，埃德?tīng)柭侵?jǐn)慎的，不過(guò)筆者并沒(méi)有他那么“樂(lè)觀”。為了解開(kāi)意識(shí)這個(gè)“世界之結(jié)”，埃德?tīng)柭岢隽艘粋€(gè)“動(dòng)態(tài)核心假設(shè)”^[3] ：如果腦中有對(duì)意識(shí)作貢獻(xiàn)的“核心”，那么組成這個(gè)核心的神經(jīng)元群必須通過(guò)復(fù)饋構(gòu)成一個(gè)整體，同時(shí)又保持各自的功能特異性，每個(gè)神經(jīng)元群中的變化都必須也引起核心中其他神經(jīng)元群的變化，并且核心的組成部分是隨時(shí)間而變化的——這一設(shè)定就稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)核心假設(shè)”。按照這一假設(shè)，該核心就具有埃德?tīng)柭J(rèn)為的意識(shí)的兩大特性：整體性和復(fù)雜性（信息性）。

然而，在這一假設(shè)中，他完全回避了意識(shí)最核心的性質(zhì)：主觀性和私密性——盡管他也承認(rèn)私密性是意識(shí)的主要特點(diǎn)。他所做的計(jì)算機(jī)仿真或是仿腦機(jī)實(shí)驗(yàn)雖然表明人工裝置也能在不同程度上表現(xiàn)出整體性和復(fù)雜性，但是并沒(méi)有絲毫主觀性的痕跡。所以他的假設(shè)只是意識(shí)涌現(xiàn)的必要條件，而非充分條件。近年來(lái)人們津津樂(lè)道的一些理論——如迪安提出的意識(shí)的“神經(jīng)全局工作空間假設(shè)”^[15] 、埃德?tīng)柭暮献髡咄兄Z尼提出的意識(shí)“整合信息理論”^[16] ——也都有同樣的問(wèn)題，都是提出了意識(shí)涌現(xiàn)的某些必要條件而非充分條件。因此，現(xiàn)在還看不到任何跡象，能在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)取得這方面的突破。當(dāng)然，既然作為物理系統(tǒng)的人腦能夠有意識(shí)，那么從原則上來(lái)說(shuō)，有朝一日仍有可能造出有意識(shí)的機(jī)器。不過(guò)，即使真的造出了這樣的機(jī)器，人們也依然難于判斷它是否真有內(nèi)心意識(shí)，因?yàn)榧词故菍?duì)除了本人之外的其他人和動(dòng)物，也還存在一個(gè)如何判斷他們也有意識(shí)的“他人心智”的問(wèn)題呢。因此以筆者管見(jiàn)，談?wù)摗叭斯ひ庾R(shí)”現(xiàn)在還為時(shí)尚早，是否需要讓機(jī)器有人工意識(shí)也是個(gè)大問(wèn)題。沒(méi)有意識(shí)的人工智能再?gòu)?qiáng)大也依然只能是人類(lèi)的工具，就像原子能一樣，為善為惡完全是使用者的選擇。只有當(dāng)人工智能萬(wàn)一真有了自己的意識(shí)，才會(huì)發(fā)生許多人當(dāng)今談人工智能色變的危險(xiǎn)。

當(dāng)然，上述僅僅是筆者的管見(jiàn)，像埃德?tīng)柭@樣的智者在其千慮中也可能有一失，而愚者千慮或許也可有一得，謹(jǐn)與讀者諸君共同探討。不管怎么說(shuō)，埃德?tīng)柭o我們提出了許多值得思考的問(wèn)題，無(wú)論答案是什么都對(duì)腦科學(xué)和人工智能的健康發(fā)展會(huì)有助益。

致謝

本文最后一節(jié)中所思考的觀點(diǎn)，曾和Karl Schlagenhauf博士多次討論。定稿曾請(qǐng)王培教授審閱，特此致謝。

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中譯本：埃德?tīng)柭屯兄Z尼著，顧凡及譯（2019）意識(shí)的宇宙：物質(zhì)如何轉(zhuǎn)變?yōu)榫瘢ㄐ抻啺妫┥虾？茖W(xué)技術(shù)出版社，上海

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[16] 托諾尼G.著，林旭文譯. (2015) PHI：從腦到靈魂的旅行[M] . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.

顧凡及

復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院退休教授，專(zhuān)業(yè)是計(jì)算神經(jīng)科學(xué)。畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)數(shù)學(xué)系，先后在中科大生物物理系、復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院任教。退休后主要從事科普著譯，已出版8本科普著譯，曾獲七次獎(jiǎng)項(xiàng)。他還獲得了第四屆認(rèn)知神經(jīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)際會(huì)議（瑞典）授予的成就獎(jiǎng)，以及2017年上海市科普教育創(chuàng)新獎(jiǎng)（個(gè)人貢獻(xiàn)，二等獎(jiǎng)）。

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