[閱讀筆記] 創智慧 - 從新皮質的結構,說明智慧如何運作 On Intelligence

原文書名: On Intelligence
中文書名: 創智慧-理解人腦運作,打造智慧機器
作者: Jeff Hawkins, Sandra Blakeslee
譯者: 洪蘭
原文書出版日期: Oct 3, 2004

本書之基本資料

本書從皮質(新皮質, neocortex, cortex)的結構,說明記憶、預測、智慧、創造力、想像力、意識,是如何運作。

本書的論述具有神經生理學的研究機礎,也有作者本身提出的假說(待實驗證明)。

作者是 Jeff Hawkins,PalmPilot/Graffiti 手寫輸入法的發明人。

2006年因YuKuan的推薦而得知此書。

人類的大腦

人類皮質有大約300億個神經元。

初始感覺區 (primary sensory areas): 外界感官訊息到達皮質的第一站。

聯結區 (association areas): 皮質接受一種以上感官訊息的地方。
Murphy: 和五俱意識的關聯性。

海伯學習定律 (Hebbian learning): 當兩個神經元幾乎同時活化(發射)時,這兩個神經元之間連結的強度會增加。

皮質有80%的細胞是錐體細胞 (pyramidal neurons)。
皮質除了頂層之外,每一層都有錐體細胞
每個錐體細胞平均有1,000個突觸(實際數量可能到5,000或10,000)。
因此皮質總共約有30兆個突觸

Vernon Mountcastle在《An Organizing Principle for Cerebral Function》這篇論文中提到, 各個區域的皮質 -- 聽覺區、觸覺區、語言區及運動控制區的皮質,外表和結構都非常相似, 因此他們做的很可能是相同的基本工作。
也就是說,皮質是以同樣的計算原則進行它所做的每件事

外界訊息 → 感官 → 動作電位 (action potential) → 大腦皮質
皮質看到的是動作電位上時間性空間性形態 (patterns)。

時間性的形態,舉例:聽到的一句話。

空間性的形態,舉例:看到的一個句子。

眼球跳動 (saccade): 眼睛每秒會顫動3次。對電腦來說,因此會觀察到外在世界的畫面是跳動的;但對大腦來說,外在世界的畫面卻是穩定的。因為大腦是以不變表徵 (invariant representations) 的方式處理形態

記憶

所有的記憶都儲存在連結神經元的突觸上。
任何一個特定的時刻,我們所能回憶的僅是一小部份的記憶,而且是藉由序列聯想的方式。
皮質儲存的是各式各樣的序列

一個神經元大約需要5ms的時間來處理訊息。
人腦在500ms內就可以從照片中認出物體,也就是經過最多100個步驟的處理。
為什麼人腦僅花費最多100個步驟就可以做到最大的平行電腦花費10億個步驟也做不到的事情呢?
因為人腦並不是去計算問題的答案,而是將答案從儲存處提取出來。

新皮質儲存的是形態序列 (sequence of patterns)。
舉例來說,我們很難把英文字母由Z到A唸出來。

新皮質是自體聯結 (auto-associatively) 的記憶系統,只要輸入相似的部份就能提取全部

思想記憶是以聯結的方式串聯,我們把一連串的記憶稱做思想。並沒有隨機發生的思想。 (Murphy: 當我們認為我們在思考,實際上是皮質在進行運算。)

新皮質是以不變表徵的形式儲存形態;而人工的自體聯結記憶並沒有使用不變表徵

舉例來說,在不同的光線、不同的角度、不同的遠近下所看到的臉,感官接收到的訊息是不同的,電腦難以辨識出是同一張臉,但皮質可以輕易辨識出來。

再舉一例,以不同的調號、不同的樂器彈奏同一首曲子,皮質仍可以輕易加以辨識出是同一首曲子。

大腦根據不變表徵最新輸入做出預測。

舉例來說,要能夠在不同路況的地面上走路,需要根據走路這個動作的不變表徵,配合地面情況的最新輸入

這使得過去學習到的經驗及知識可以應用到新的、類似但又非完全相同的情境。

新皮質是以階層性架構 (hierarchy) 儲存形態

大腦記憶並非照相機式記憶。

智慧的新架構

智慧瞭解起始於記憶系統,它將預測送入感官輸入,當預測感官輸入結合,就形成我們的知覺。這個看法作者稱為 the memory-prediction framework。

我們的知覺不僅來自我們的感官,也同時來自衍生自大腦記憶的預測

舉例來說,如果每天開關的門以某種方式被調整過,我們會察覺到,這是因為我們持續不斷地在做預測,當感官輸入預測不符,我們就會立刻察覺到。

預測智慧的根本。

科學本身就是藉由預測(假設)並加以驗證,增加對世界的認知。
我們用記憶的容量以及對於世界形態的預測能力來測量IQ。

皮質指揮行為的出現以滿足它的預測

舉例來說,移動你的手臂,是皮質預測會看到手臂移動,這個預測引發動作的指令,以滿足皮質的預測。

皮質如何運作

視覺皮質功能區的結構如下。

有四層,由下往上依次為:V1, V2, V4, IT。

外在世界 -> 視神經 <-> V1 <-> V2 <-> V4 <-> IT

V1: 每一個神經元只對視網膜某一小部份送進來的訊息起反應,對應到視野的一小部份。
每一個V1細胞都對某一種的輸入形態敏感,例如直線、30度角的邊。

IT: 當一個物體進入視野中,有些細胞會持續保持活化(發射)。

現在正在發生的,是向上層傳送的輸入預期將要發生的,是向下層傳送的預測

聯結區的功能,舉例來說,聽到貓的叫聲時,聲音的輸入產生對於貓的聲音的辨認,創造出對於貓的預測,在聯結區,把預測送到視覺區,導致視覺的預測,預期會看到貓。

作者認為不是僅在 IT 才形成不變表徵, 而是在皮質的每一個區域都形成不變表徵.

皮質的每一區學習序列,發展出序名來稱呼所學到的序列,然後把序名傳送給皮質階層中的上一層級。

序名是一組細胞,當集體發射時,代表了此序列中的一組物件
只要輸入形態可預測序列中的一部份,這個皮質區便會對上一層級的皮質不斷呈現序名

聲音的序列: 音素 → 音素的序列: 字 → 字的序列: 片語 → ...

當形態往下傳送時,不變表徵(Murphy: 序名)被展開成序列,並可以分支走向不同的路徑。

舉例來說,一句話,展開為字之後,可以轉變為手指的肌肉控制指令,打出來;或者轉變為發音系統的控制指令,講出來。

當意料之外(不預期)的事情(形態)出現時,亦即某一階層的皮質無法預測(Murphy: 辨識)它們所看到的某個形態時,訊息會往皮質上層階層傳送,直到某個區域可以處理它為止

皮質的主要任務: 將輸入的形態進行分類 (例如顏色的分類)、建立序列

當重複學習時,物件的不變表徵會從高階皮質往下移,使得在頂階區域可以學習更複雜、更細微的形態

基底核: 原始的運動系統。

小腦: 學習與事件有關的精確時間關係。

海馬迴 (hippocampus): 和記憶的形成有關。失去海馬迴後的事情都會記不得。海馬迴是新皮質最高階層的組織,並非分離的結構。

新的、不預期的事物會由低階皮質層層上送到最高階層的海馬迴,這樣的訊息不會永久儲存在海馬迴,不是被送到下層的皮質加以儲存,就是流失掉


往皮質的高階傳送時,除了兩個階區之間有直接的通道之外,還有一個經過視丘的間接通道

注意力的轉移,或者調整知覺焦點,作者認為就是透過間接通道,把原始訊息直接送到皮質較高階的區域。

舉例來說,從聽一首歌,到注意到其中吉它的和弦伴奏。

Murphy: 「誰」下指令調整知覺焦點?

意識和創造力

創造力可以定義為用類比的方式進行預測,而這正是皮質在做的事。

人們欣賞有創意的藝術,因為這樣的作品違反他們的預測,因此有新鮮感。

為什麼某些人比其他人更有創意

我們的預測,也就是我們的能力,是建構在我們學到的經驗上的。

運用創造力解決問題的方法。

1. 要相信這個問題是有解的。

2. 經常思考這個問題,同時做些別的事情,讓皮質有機會找出一個類似的記憶。

3. 改變看問題的角度。例如把問題倒過來看。

意識是什麼?

作者認為意識不過就像是擁有皮質的感覺

意識: 自我覺察、感官知覺。

日常生活中對意識的看法,其實是指陳述式記憶 (declarative memory)。

舉例來說,如果我們失去了某一段時間的記憶,我們會認為在那一段時間自己是無意識的。

對皮質來說,身體是外在世界的一部份,因此我們會感覺到我們擁有獨立於身體之外存在心智 (mind)。

想像力是什麼?

想像某件事,只要讓預測調過頭來變成輸入就行了

刻板印象

不變表徵導致刻板印象

避免刻板印象的方式:

1. 辨認錯誤的刻板印象。

2. 要有同理心。

3. 對事情保持開放、懷疑的態度。

4. 批判性思考。

延伸思考

這個理論沒有說明: (1) 過去世的記憶儲存於何處? (透過催眠等方式, 可以喚起過去世的記憶) (2) 阿賴耶識的儲存機制。 (3) 情感層面。

延伸閱讀

[書籍] 禪與腦 - 開悟如何改變大腦的運作

[WiKi] On Intelligence

[Official Site] On Intelligence

The Redwood Center for Theoretical Neuroscience - 由 Jeff Hawkins 創立,位於Menlo Park,專門研究新皮質,稱為 Redwood Neuroscience Institute。在 2005 年,搬遷至 UC Berkeley,並改名為 The Redwood Center for Theoretical Neuroscience。

Numenta - 由 Jeff Hawkins 創立,目的是實現以新皮質算則為基礎的記憶系統 Hierarchical Temporal Memory。