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《三脑论》
2011-5-16 15:59| 发布者: 智力工程| 原作者:
智力工程徐章英顾力兵|
国家自然科学基金资助项目－－关于动物脑与人脑的猜想及其与电脑的比较
徐章英 顾力兵 （
1992年发表于《自然辩证法》杂志第9期）
转自思维资治网纪念钱学森网页徐章英专栏
关于动物脑与人脑的猜想及其与电脑的比较(上）
徐章英 顾力兵
（1992年发表于《自然辩证法》杂志 ）
当前，摆在我们面前的有两种脑：天然脑和人工脑。天然脑主要是指脊椎动物的脑，即动物脑和人脑。人工脑，目前就是电脑。它可分为按冯·诺依曼机制工作的计算机及正在兴起的模拟神经网络。 对于按冯·诺依曼方式工作的电脑（为叙述方便，以下凡未加说明的“电脑”一词均指这种电脑）目前正处在全盛时期。它已渗透到各个最先进的技术领域，成为现代化社会不可缺少的技术装备。由于这种电脑的成功，人们甚至编了不少神话般的赞歌。但是，人们也越来越多地看到，一些在小动物面前轻而易举的事，电脑却畏为难题，不仅要采用繁琐的步骤，复杂的运算，而且得出的结果也未必理想。因此，自从电脑问世以后，人们总是频频地比较它与天然脑之间的差别，比较它们的结构和工作机制，以便进一步认识动物脑和人脑，并进行人工模拟，创制出更为新型的人工脑来。
本文除了收集在很多文章中广为比较的一些主要异同外，还提出了自已对天然脑的一些猜想，并与现行的电脑作一些比较，以便进一步看到天然脑的一些重要特点及其与电脑的重大差别。
一、 脑的功能比较
天然脑本质上是一种信息加工器官，而人工脑则是一种信息加工机器。人们对天然脑的认识首先是从认识它的功能开始的，接着深入地认识它的结构和运行机制。然而，由于天然脑是漫长自然历史过程的产物，人脑更是劳动实践和社会历史的产物，具有无比的复杂性，我们对天然脑特别是人脑的认识，虽然已积累了丰富的知识，但毕竟还是十分肤浅的。即便对天然脑的功能的认识，我们了解得也还是很不够的。就目前所知，从信息加工的角度来看，高等动物大脑和人类大脑，至少有以下相似功能:（１）接受来自感官的各种外来信息:（２）进行信息的非逻辑加工，即大脑的信息加工过程不是遵循确定性的逻辑思维原则，而是直觉地经验地和模糊地处理信息，包括条件反射式反应的功能，在心理学上可能涉及从知觉、表象到再认（直觉识别）这一类认识功能；（３）存储外来的经过加工的信息；（４）能够处于睡眠、觉醒和定向注意的状态。其中睡眠状态不仅是大脑肌体的代谢需要，而且也是大脑信息继续加工和存储转换机制的需要；（５）情感性的行为反应控制。 这些功能也就是高等动物脑的功能。高等动物，尤其是灵长类动物大脑的功能，在上述诸方面是十分接近人脑的，除了非逻辑加工功能外，已发生了准逻辑加工功能及准意识控制功能。其情感性的行为控制也变得十分复杂。 人类大脑的功能显然要比上述这些方面复杂得多，主要体现在以下各项功能上：
（１）具有对信息进行筛选和回忆、巩固的记忆功能； （２）在非逻辑加工方面，具有复杂的回忆、联想、想象等功能，这是创造性思维活动中十分宝贵的思维功能； （３）具有信息的逻辑加工能力，而且可以上升到具有语言文字的符号思维及辩证思维的能力； （４）进入到信息加工状态的最高层次──意识状态的功能，大脑的意识状态可以进入，也可以退出，意识状态的进入必须处在觉醒状态下才有可能，在意识状态下的大脑至少能够把认识者自已和现实环境区分开来，即至少能够知道自已的存在和现实时间、空间的存在，意识状态有不同的水平级别，这与个体的认识发展水平、知识水平及受教育情况等等有关，也与当时的大脑觉醒程度有关，在意识状态下执行的行为控制便是意识控制，包括对意志、情感等等的心理控制；（５）形成目标动力功能，产生诸如能动性、兴趣、价值、理想和计划行为等能力。
由此可见，高等动物和人类大脑的功能，既有相同或相似的部分，又有不同的部分。这说明，人的大脑在功能上是动物大脑的继承和发展。在那些相同的功能部分中，特别是定向注意、信息的非逻辑加工及情感性行为控制的功能，使人和动物有信息加工和控制功能方面具有一定的随意性，即个体性和不确定性。这种随意性虽是局部的，即局部的空间，局部的时间和局部的内容方式，在总体上它受到各种主客观条件的制约，但这种局部的随意性却体现出了智能生物的能动性特点，这是任何工具属性的智能机器所无法比拟的。
人类大脑功能超过动物的部分，最重要是意识状态和逻辑加工功能。高等动物只有意识的萌芽，或“畜群意识”。即便有争夺、防御等等行为，也只是一种本能的反应。人类的意识功能是后天获得的，并非先天遗传，但提供产生获得性意识功能的最初生理条件是先天遗传的。当着人类的祖先开始参加劳动制造工具改造世界的时候，随着大脑结构的发展，意识功能也就萌发了。动物脑无法获得意识功能。动物的行为控制只是本能的、条件反射的或情感性的，不是有意识的，也不是逻辑的，因此不可能是理智的。人脑在意识状态控制下参与人的劳动实践和社会生活，在观念中很自然地形成价值观、兴趣与目标，出现了目标动力，从而产生巨大的人类的能动性。
人脑的逻辑加工功能也是后天获提的，不是先天遗传的。人脑的主观逻辑和逻辑加工能力是客观事物逻辑的反映，人脑的生理条件和工作机制提供了学习这种能力的可能性。而动物却没有或在灵长类中仅有极为简单的逻辑加工能力。正是由于人脑具有逻辑加工能力，因而使人能够深入事物内部去认识事物的本质及其规律性。
即便是在信息的非逻辑加工能力方面，动物脑也无法和人脑相比拟。人脑除了具有如知觉、表象、再认一类较为简单的非逻辑加工功能外，还具有高层次的如回忆、联想和想象一类复杂的非逻辑加工功能。也因为这一点，人的创造性认识可以逾越在一定的有限条件下逻辑所无法越过的认识屏障，从而产生诸如直觉判断或灵感一类的思维活动。
由于人脑意识的出现，产生了巨大的能动性和目标动力；又由于人脑学会了对信息的逻辑加工；再加上人脑复杂的高层次的非逻辑加工能力，从而使人脑具有选择目标，制订计划，并通过心理的与行为的控制去实现计划的那种高度的能动作用。这是人脑有别于动物脑和电脑的显著特点。
人类的言语能力也是人脑信息处理功能的显著特点之一。除了灵长类动物有可能接受简单的词汇训练外，动物没有言语能力，语言的出现表征人脑在逻辑加工能力上的一种飞跃，即能够进行抽象思维，而且能够抽象到用语辞符号进行思维。
电脑是人类对自己大脑的某些功能进行模拟而进行设计的，所以电脑是人脑认识的产物，与天然脑相比，电脑具有如下主要功能：（１）接受来自外部输入设备的形式化信息；（２）存储外来的和加工后的形式化信息，而且容量极大，存取方便、快速，可以重写，也可以抹除，一经存储便可准确而持久地保持；（３）进行形式化信息的纯二值逻辑或二进制数字运算，而且运算速度快，准确性和精度都很高:（４）接受并严格执行外来指令和指令的集合（程序）；（５）向外部设备输出形式化信息，包括传送信息或实行逻辑控制。
所谓“形式化信息”是指信号形式经过特别约定的信息。这里指的是二进制数、二值逻辑关系以及各种各样用二进制代码定义的文字、符号、数字、指令和各种规范化的数据格式、命令格式等等。确实，经过扩充的计算机系统也可以接受各种各样的物理模拟信号，但要经过Ａ/Ｄ(模拟量/数字量）转换器转换成二进制数字量，再进入主机运算；也可以接受模糊输入，但也要变换成确定的形式化信息并经过模糊运算，进行实质上的二值运算。一切信息，进入计算机界面内执行的是唯一的确定的二值运算。这种确定性植基于计算机的极为简单的二值逻辑结构。而简单性也就带来了机器的种种优点和缺点，使电脑具有了机器的共同特点。
虽然，电脑的上述功能十分简单，但由于可以输入和存储程序，并执行程序，因此只要精心构筑程序，电脑便可做出如前所说的神话般的事来。但是，由于电脑的程序、指令都是人编的，它的一切结果都是可预料的，命定的。电脑只是起了一个智力杠杆的作用。电脑与天然脑相比，在功能上有以下重要差别：（１）没有非逻辑加工功能，因而不会逾越在有限条件下逻辑的认识屏障，没有创造能力，也不会犯错误；（２）没有意识功能，没有现实感和随意性，只是形式地、命定地加工信息:（３）没有能动性的控制功能，因而也没有目标动力功能，不会给自己制订没有命令或没有计划过的计划；（４）没有定向注意功能，不会直觉地、主动地筛选输入信息，电脑控制下的系统对待定信源的跟踪完全是程序化的被动过程，并非定向注意功能；（５）没有情感性的行为控制，因而没有激情也没有沮丧:（６）没有除二值逻辑以外的逻辑加工能力，形式逻辑也只是在二值逻辑所表述的范围内被运用，没有辩证逻辑能力。
确实，当前电脑已进入了发展盛期，它将深入各个角落并溶化在各种装置之中，它会做常人为之惊叹的事情，但也越来越显示出它不会做很多事情的局限性来。功能上的局限性来源于进行机制和结构上的局限性。所以，另一种非冯·诺依曼方式工作的电脑，即模拟神经网络，正在日益为人们所重视。
模拟神经网络是一种物理器件。它可以模拟单个的动物神经元，也可以模拟由许多神经元连接构成的神经网络。模拟的神经元（以下简称神经元）可以模拟动物神经元的简单功能,而且也可以模拟它的某些工作机制,包括模拟它的树突、轴突和细胞体对信息的处理功能。模拟的神经网络（以下简称神经网络），随着神经元之间连接方式的不同，便具有很不相同的网络特性，用来模拟不同功能的动物神经网络。也可以把具有不同连接方式的神经网络进一步组合起来，从而具有更为复杂的网络功能。目前已知的各种类型模拟神经元和神经网络具有如下各种不同的功能： （１）群体协同的并行加工功能；（２）分布式的存储功能:（３）简单的形象感知和直觉的模式识别功能；（４）初步的学习和自适应功能；（５）低级的概括，类比和联想功能。
虽然有不少功能在冯·诺依曼方式的计算机中也可实现，但实现的方式却完全不同，功能上有着很大差别。模拟的神经网络更为接近动物的神经网络。例如：在存储功能方面，神经网络中没有专门的存储器，在加工信息的同时也就留下了存储的痕迹，信息的存储采用群体的分布方式，具有容错和整体性优点。而在计算机中使用专门的存储器，整体信息被分解成各个部分，各自独立地存在于存储器中。又如，在学习功能和模式识别方面，虽然计算机在人工智能条件下也具有此功能，但是神经网络的学习是采用并行加工方式，并且边学习边改变本身的网络连接，具有建构过程的模式和不可逆、直觉性的特点；其模式识别具有整体性的特点。在人工知能条件下的计算机则采用时间序列的繁复的逻辑过程，以此替代直觉，不仅效率低，很多场合也是行不通的。因而神经网络显得高可靠、高效率、直接、模糊，更接近动物的认识模式。
综上所述，动物脑和人脑的功能上有很多相似方面，又有本质的差异方面；各种不同的人工脑在局部功能上正在越来越多地模拟着天然脑，很多方面甚至大大地超过了天然脑，但是模拟的功能范围还相当小，性能上有着本质的巨大的差异，还有绝大部分天然脑的功能，至今还无法模拟出来。随着人工脑在结构和运行机构上的改进，肯定还会模拟出更多的功能来的。但也可以预料，仅在功能上进行模拟是一定会受到局限性的束缚而不可能模拟出全部功能来的。（待续）
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