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認知科學

(學科概念)

編輯 鎖定
認知科學是20世紀世界科學標誌性的新興研究門類,它作為探究人腦或心智工作機制的前沿性尖端學科,已經引起了全世界科學家們的廣泛關注。一般認為認知科學的基本觀點最初散見40年代到50年代中的一些各自分離的特殊學科之中,60年代以後得到了較大的發展。
認知科學是一門相當年輕的學科,然而卻為揭示人腦的工作機制這一最大的宇宙之謎作出了不可磨滅的貢獻。
近年來,在大腦處理信息整體運作機制研究方面有了一些新的進展,如近年發表的《大腦處理信息量化模型和細節綜合報告》等一系列論文綜合整理分析已有的各層面的知識,建立有堅實解剖學基礎、能聯繫各層面、量化描述大腦信息處理過程的模型和框架用量化模型結合結構風險最小化相關理論分析説明時序控制作用對大腦高效可靠處理信息的意義;彙總介紹量化模型中的細節;分析了大腦能正確而高效處理信息,使智力能夠誕生的原因;分析了理論建立和應用過程的神經生理學原理、只能有相對真理的神經生理學原因;還建立和介紹了另外一種量化分析方案等。
中文名
認知科學
外文名
Cognitive Science

認知科學概念由來

編輯
根據奧爾登大學認知科學研究所所長席勒爾(E. Sheener)的意見,“認知科學”(Cognitive Science)一詞於1973年由朗蓋特·系金斯開始使用,20世紀70年代後期才逐漸流行。1975年,“斯隆基金會”(Alfred P. Sloan Foundation,系紐約市的一個私人科研資助機構)開始考慮對認知科學的跨學科研究計劃給予支持,該基金會的資助一直持續至今,對這門新學科的制度化起了重要的作用。因為斯隆基金會通過組織第一次認知科學會議並確立研究方案,在推動認知科學方面起了決定性作用。
心智是腦和神經的功能,而腦與心智之間的橋樑就是認識。
圖1&amp 圖1&amp [1]
認知科學,就是關於心智研究的理論和學説。1975年,由於美國著名的斯隆基金的投入,美國學者將哲學、心理學、語言學、人類學、計算機科學和神經科學6大學科整合在一起,研究“在認識過程中信息是如何傳遞的”,這個研究計劃的結果產生了一個新興學科——認知科學。當前國際公認的認知科學學科結構如右圖1所示。
認知科學的發展首先在原來的6個支撐學科內部產生了6個新的發展方向,這就是心智哲學、認知心理學、認知語言學(或稱語言與認知)、認知人類學(或稱文化、進化與認知)、人工智能和認知神經科學。這6個新興學科是認知,科學的6大學科分支。這6個支撐學科之間互相交叉,又產生出11個新興交叉學科:(1)控制論;(2)神經語言學;(3)神經心理學;(4)認知過程仿真;(5)計算語言學;(6)心理語言學;(7)心理哲學;(8)語言哲學;(9)人類學語言學;(10)認知人類學;(11)腦進化。

認知科學詳細介紹

編輯

認知科學歷史源起

認知科學要做什麼?它將給我們帶來什麼?對這些問題的回答首先涉及認知科學自身的價值和意義。
認知是腦和神經系統產生心智(mind)的過程和活動。一般而言,只要有腦和神經系統的動物都有某種程度的心智。認知科學就是以認知過程及其規律為研究對象的科學。認知涉及學習、記憶、思維、理解以及在認知過程中發生的其他行為。因此,語言和心理、腦和神經是認知科學的重要研究內容。就人類心智而言,因為人是社會的動物,因此,語言和哲學、文化和進化,以及人所特有的工具——計算機及其科學理論也成為認知科學研究的對象。
近代以來,甚至可以追溯到古代,身心問題一直是困擾哲學家的一個根本問題。笛卡兒的著名命題“我思故我在”反映了人類能夠認識自身的本質特徵。他的“身心二元論”是“身心”問題(Body&Mind)的一個重要版本。
學科關係圖 學科關係圖
20世紀中葉以來,由於心理學、腦與神經科學的發展,特別是認知科學建立以後,這個問題變成了著名的“腦智”(Brain&Mind)問題。很顯然,認知科學對“心智”和“腦智”的研究,與哲學史和科學史上對身心問題的研究是非常不同的,主要的區別是,認知科學對心智的研究已經不再是哲學的思辨,也不僅僅是心理學、生理學等單一學科的實證研究,而是建立在腦科學發展基礎上多學科的綜合研究。
認知科學的重要進展,得益於腦科學的發展,而腦科學的發展又得益於腦成像技術的長足進步。計算機X射線斷層攝影術(Computerized Tomography,CT)、核磁共振成像技術(Magnetic Resonance Imaging,MRl)、功能性核磁共振成像技術(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRl)、正電子發射攝影術(Positron Emission Tomography,PET)等多種技術被廣泛應用於腦和神經科學的研究,促進了腦和神經科學的發展。腦科學的這些發展,為我們揭開心智的秘密準備了條件。
2000年,當人類剛剛跨人新世紀的門檻時,美國國家科學基金會(NSF)和美國商務部(DOC)共同資助50多名科學家開展了一個研究計劃,目的是要弄清楚在新世紀哪些學科是帶頭學科。
研究的結果是一份長達680多頁的研究報告,但結論只有4個字母——NBIC。它們分別代表納米技術(Nanotechnology)、生物技術(Biotechnology)、信息技術(Informational technol-ogy)和認知科學(Cognitive science)。
這個研究報告是這樣來描述NBIC的研究目標的:“在下個世紀,或者在大約5代人的時期之內,一些突破會出現在納米技術(消弭了自然的和人造的分子系統之間的界限)、信息科學(導向更加自主的、智能的機器)、生物科學和生命科學(通過基因學和蛋白質學來延長人類生命)、認知和神經科學(創造出人工神經網絡並破譯人類認知)和社會科學(理解文化信息,駕馭集體智商)領域,這些突破被用於加快技術進步的步伐,並可能會再一次改變我們的物種,其深遠的意義可以媲美數十萬代人以前人類首次學會口頭語言知識。NBICS(納米—生物—信息—認知—社會)的技術綜合可能成為人類偉大變革的推進器。”[3](P102)這個重要的研究報告中有一句話是非常經典的:“聚合技術(NBIC)以認知科學為先導。因為一旦我們能夠以如何(how)、為何(why)、何處(where)、何時(when)這4個層次上理解思維,我們就可以用納米科技來製造它,用生物技術和生物醫學來實現它,最後用信息技術來操縱和控制它,使它工作。”

認知科學研究領域

認知科學的一些研究領域包括:語言習得、閲讀、話語、心理模型小概念和歸納、問題解決和認知技藝獲得、視覺的計算、視覺注意、記憶、行為、運動規劃中的幾何和機械問題、文化與認知二認知科學中的哲學問題、身心問題、意向性、可感受的特質(Qualia)、主觀和客觀等等。

認知科學目標意義

從根本上説,認知科學的目標就是要揭開人類心智的奧秘。如何完成這個使命呢?目前它是從這樣一些方面來進行探索研究的。在基礎理論方面,認知科學研究計算與認知、符號結構與認知、心智結構和聯結主義、語法理論、模型論語義學和其他語義學、認知科學的實驗方法、腦與認知等。
認知科學的目標和意義還在於,它將與納米技術、生物技術和信息技術結合起來,改變21世紀人類的生存方式。
發展認知科學的另一個意義是,它將帶動其他相關學科的發展。可以説,在21世紀,如果不做認知科學研究,或者不與認知研究相結合,不僅哲學、心理學、語言學、人類學、計算機科學、腦與神經科學無法深入發展,其他傳統學科如數學、物理學、天文學、地理學、生物學、文學、歷史學、經濟學、政治學、法學、管理科學、教育學的發展也都無法深入發展,因為這些學科的深人發展都依賴腦與心智的開發,因而與認知科學相關。
以哲學的發展為例。在人類認識的早期,人們把自己的意識投向外界,思考世界的本原是什麼的問題,這就是古代的本體論哲學;近代以後哲學研究的對象轉向主體自身,研究認識如何可能的問題,這就是近代的認識論哲學;20世紀中葉以後,哲學的眼光開始轉向主體與客體的中間環節語言,這就是當代西方的語言哲學;在語言學和語言哲學的研究過程中,語言學家和語言哲學家們發現,語言是心智的反映,而心智又是大腦的功能,他們中的很多人都從語言的研究走向了心智和認知的研究。喬姆斯基説:“語言是心靈之鏡。”塞爾説:“語言是人類心智的基本功能。” 20世紀70年代中期以後,哲學的對象自然就轉向人類自身的心智。塞爾認為,“在認知科學中最重要的發展,是認知科學家從認知科學的計算模型轉移到認知神經科學模型。這説明大腦作為認知的基礎已經取代數字計算機作為認知的基礎。我們將神經生物學的大腦看作人類認知的基礎,這是一個非常重要的轉變” 。他還説:“最有希望的研究領域就是認知神經科學,而不僅僅是腦的微納米技術。希望在於認知神經科學,我認為這就是那個將要出現最激動人心研究結果的領域。”

認知科學未來願景

首先,認知科學研究將要破解人類心智的奧秘,它的最終目標是要製造出一種人工神經網絡系統。根據塞爾(JohnR.Searle)的人工智能模型,目前的計算機系統是沒有智能的,而人工神經網絡系統卻是具有人類大腦功能的智能系統。只需設想一下人工神經網絡系統在現代科學技術和人類現實生活中可能的應用,認知科學的重要性是不言而喻的。
其次,在21世紀的4個帶頭學科NBIC中,認知科學是最重要的,它是4個帶頭學科中的帶頭學科。認知科學與納米技術、生物技術和信息技術結合在一起,再加上社會科學的發展,將會從根本上改變人類的生存方式,甚至改變我們的物種。
人類心智的奧秘被稱為上帝最後的秘密,因為人類心智的奧秘一旦揭開,上帝再無任何秘密可言。所以,有的人(包括有的科學家)斷言,認知科學的這個目標是根本不可能實現的。不是上帝不讓我們實現,而是我們自己就做不到。一個系統不可能認識自身的運動,這是系統科學的一條基本定律。
既然如此,人類為什麼還要試圖去認識自身呢?這是因為,大多數科學家認為,人類試圖認識自身並沒有違背任何科學規律。人類就具有認知自身的能力,因為人的思維能夠指向自身——這就是自我意識。在所有動物中,只有人和高級靈長類動物如大猩猩才具有自我意識。不僅如此,人還具有能夠反映這種自我意識的、能夠自指的語言。具有自我意識和能夠自指的語言,是人類區別於其他動物的根本標誌之一。所以,人類能夠認識自身。
作為科學發展必然產物的認知科學,不僅與科學自身具有同一性,也具有很大的差異性。認知科學甚至可以看作是過去的科學理論的一種“反叛”。在認知科學產生以前,科學理論解決的是認識的普遍性問題:科學原理適用於一切人。認知科學的發展卻要解決認識的個體差異性問題:認知科學會針對每個人開出不同的處方。認知科學是“涉身的”(embodied),它研究與個人的身心相關的認識問題。 [1] 

認知科學爭論分歧

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認知科學尚未成熟,作為一個獨立的學科,也尚未得到足夠的統一和整合。對於什麼是認知科學,也還存在着很大的分歧。1978年10月1日,“認知科學現狀委員會”遞交斯隆基金會的報告,(席勒爾,仕琦譯,1989)把認知科學定義為“關於智能實體與它們的環境相互作用的原理的研究”。然後,該報告作者們沿着兩個方向展開這一定義。第一個是外延的:列舉了人認知科學的分支領域以及它們之間的交叉聯繫。列舉的分支領域有計算機科學、心理學、哲學、語言學、人類學和神經科學。第二種展開是內涵的,指出共同的研究目標是“發現心智的表徵和計算能力以及它們在人腦中的結構和功能表示”。以上對認知科學的界定集中體現了“符號處理”或“信息處理”範式。但是隨着20世紀80年代中期聯結主義重新崛起之後,關於認知科學的定義也就出現了極其微妙的變化。符號主義和聯結主義二者的爭執主要影響到的認知科學定義的內涵,而對其外延卻是沒有什麼影響的,因為這兩種範式都能包含上面所提及的認知科學的分支學科。
認知學家的興趣在於研究人如何獲取、加工、保持和利用信息,並據以作為行為和獲得後續知識的基礎。他們採用兩條基本策略來研究這些問題。第一條策略是建立認知過程的計算機模型,例如進行抉擇,然後將模型的運行狀況與相似條件下人體受試者的行為進行比較,以進一步改良模型。由於這種方法依賴於電腦而不是人腦,因此有時被稱為“幹認知科學”(dry cognitive science, DCS)策略。 第二條策略是研究對真正的腦進行電刺激或化學刺激的效應,觀察腦損傷的影響,或者記錄正在進行各種信息處理作業的受試者腦活動。由於這種方法依賴於真正的腦,因此常被稱為“濕認知科學”(wet cognitive science WCS)法。在關於精神狀態的本質及其與物質世界的關係的問題上,這兩種不同的實驗方法導致了兩種不一致的看法。

認知科學幹認知科學

圖2 機-腦 圖2 機-腦
持幹認知科學觀點的認知學家,常把人腦和計算機類比,藉以來解釋物質世界和精神世界之間的聯繫。在計算機內部,晶體管的不同狀態代表着不同的圖像或聲音,各種計算機程序對這些被儲存的模式進行加工處理。這個過程正如我們把一張圖片掃描入計算機,然後使用一個類似Adobe Photoshop這樣的軟件對圖像進行處理。當然,我們也可以使用攝像機來獲得圖像,並使用更復雜的軟件來識別圖像的物體、字母或單詞。這正是智能機器人“腦”的工作方式。
這種計算機比喻很容易使人相信,腦內神經細胞起了與計算機晶體管相似的作用。也就是説,映入我們眼睛的圖像被迅速轉換成為一種神經衝動的模式,然後,視覺系統的軟件程序對這個神經模式進行處理。神經模式僅簡單地對應着外界事物的特徵,而認知過程,例如觀察和思考,這反映了操作處理這些符號的計算程序。
紅蘋果 紅蘋果
大多數DCS的支持者將腦視作一台通用的生物計算機,能夠運行多種軟件程序,由於同樣的計算機程序可以在諸如Macintosh和IBM等不同的通用計算機上運行,DCS認為腦的實際結構對於理解精神過程無關緊要。
並非所有的DCS工作者都同意機-腦(圖2)類比的所有細節。有些研究者相信,當我們看着一個紅蘋果時,腦子裏其實並沒有紅色,而只是神經細胞的狀態,這種狀態與外部世界的屬性,如蘋果的紅色相對應。另一些人則認為,意識體驗,例如紅色,卻是產生於神經系統,但他們僅僅是沒有功能作用的無關的副現象。這樣的“紅色”猶如計算機發出的嗡嗡噪聲。它由於腦的活動而產生,但實際上它並不重要,因為它與神經細胞的工作及其程序化了的相互作用無關。也就是説,主觀體驗,譬如紅色,不是真正必需的,只不過是神經系統執行功能時偶然的副產品而已。儘管還存在其他種種觀點,DCS普遍認同的是,腦的行為像一台計算機,也許是一台平行處理器,精神官能則是這台通用機器執行的軟件程序。

認知科學濕認知科學

濕認知科學根據對真實的腦進行研究的結果,提出了關於意識精神狀態本質的不同看法。多年前,神經科學家就瞭解到,刺激、損傷或腦內神經化學的輕微改變可以影響人體精神的幾乎所有方面。比如,一定劑量的氟氧苯丙氨(Fluoxetine)能夠緩解多年的抑鬱。對腦進行電的或化學的刺激能輕易的改變感覺和知覺。我們對現實的體驗更多地依賴於身體內部的化學反應,而不是身體以外的外部世界。“外面”世界的信息輸入對於意識體驗的形成甚至是不需要的。
似乎可以認為,我們精神的意識特性,比如感覺和情感,與腦的物理和化學結構組成密切相關,它們的產生無需任何外界信息的傳入。我們能在夢中看見紅蘋果,而此時並沒有光線進入眼睛。
濕認知科學的主要結論是,精神的意識屬性,如感覺和情感,是腦的物理和化學組成的產物。這一看法與幹認知科學將腦視為通用計算機的看法截然不同。傳統的幹認知科學認為,計算機和人腦中並沒有紅色,而只有代表這些外部世界屬性的符號。相反,濕認知科學的研究結果則清楚地表明,意識體驗是神經系統的產物,即使在缺乏環境信息輸入的情況下,也能夠被腦的化學或電刺激所誘發。濕認知科學本身沒有解釋我們怎樣或為什麼擁有意識體驗,但它明確的闡述,意識體驗是由人腦的神經活動產生的。 [2] 

認知科學涉及內容

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對認知科學範圍的瞭解,還可以從認知科學的內容上來看,到目前為止認知科學所涉及的主要內容,有感知覺(包括模式識別)、注意、記憶、語言、思維與表象、意識等。這似乎都是心理學家們所關注的問題,但其實也同樣是哲學家、語言學家、計算機科學家、神經生理學家、人類學家們所關心的內容。只是不同專業背景的研究者,對這些同一個問題,所採取的具體研究方法不同罷了。我國學者李伯約指出,人工智能、認知心理學和心理語言學是認知科學的核心學科,神經科學、人類學和哲學是認知科學的外圍學科。
由於認知系統的複雜性,對它要進行多維度的研究,認知科學需要運用多門學科所使用的工具和方法,從完整的意義上對認知系統進行全方位的綜合研究。可以説,認知科學迄今為止所取得的成就,是與其跨學科的研究方法緊密聯繫在一起的。但是跨學科的研究方法,也給認知科學帶來了不少問題和挑戰。
認知科學是研究人類感知和思維信息處理過程的科學,包括從感覺的輸入到複雜問題求解,從人類個體到人類社會的智能活動,以及人類智能和機器智能的性質。認知科學是現代心理學、信息科學、神經科學、數學、科學語言學、人類學乃至自然哲學等學科交叉發展的結果。
認知科學的興起和發展標誌着對以人類為中心的認知和智能活動的研究已進入到新的階段。認知科學的研究將使人類自我瞭解和自我控制,把人的知識和智能提高到空前未有的高度。生命現象錯綜複雜,許多問題還沒有得到很好的説明,而能從中學習的內容也是大量的、多方面的。如何從中提煉出最重要的、關鍵性的問題和相應的技術,這是許多科學家長期來追求的目標。要解決人類在21世紀所面臨的許多困難,諸如能源的大量需求、環境的污染、資源的耗竭、人口的膨脹等等單靠現有的科學成就是很不夠的。必須向生物學習,尋找新的科技發展的道路。

認知科學知覺

知覺信息的表達是知覺研究的基本問題,是研究其它各個層次認知過程的基礎。知覺過程是從那裏開始的?外在物理世界的那些變量具有心理學的知覺意義?作為知覺的計算模型計算的對象是什麼?這些圍繞知覺信息表達的問題是建立任何知覺和跟知覺有關的學説和理論模型,無論是人類的還是計算機的,都必須首先回答的問題。知覺信息表達的研究可以有不同層次的問題,包括諸如知覺組織的問題、知覺學習的問題、知覺動態記憶的問題、以及面孔識別的問題等。
將在計算理論層次、腦的知識表達層次和計算機實現層次上,把認知神經科學實驗研究和計算機視覺研究結合起來,將對上述科學問題提出嶄新的理論(或思想)和解決的方法。

認知科學學習

學習是基本的認知活動,是經驗與知識的積累過程,也是對外部事物前後關聯地把握和理解的過程,以便改善系統行為的性能。
學習的神經生物學基礎是神經細胞之間的聯繫結構突觸的可塑性變化,已成為當代神經科學中一個十分活躍的研究領域。突觸可塑性條件即在突觸前纖維與相聯的突後細胞同時興奮時,突觸的連接加強。1949年,加拿大心理學家Hebb提出了Hebb學習規則,他設想在學習過程中有關的突觸發生變化,導致突觸連接的增強和傳遞效能的提高。Hebb學習規則成為連接學習的基礎。神經網絡是由具有適應性的簡單單元組成的廣泛並行互連的網絡。Kohonen提出自組織映射網絡。Haken根據協同形成結構,競爭促進發展的規律,將協同的非線性動力理論與神經網絡有機結合,提出了協同聯想記憶網絡。Amari提出用微分流形和統計推理來研究神經網絡。在Amari理論的基礎上史忠植等提出了一種神經場模型,由場組織模型和場效應模型構成。
感知學習是發生在感知水平上的學習,主要研究如何從低級的傳感器輸入的原始數據獲取相關的抽象數據。感知學習主要考慮通過視覺和聽覺的學習,研究從非結構與半結構信息到結構信息變換方法,研究圖像的語義描述及其快速提取技術,研究感知學習中的注意機制與元認知等。
認知學習理論認為在人的行為背後都有一個相應的思維過程,行為的變化是可觀察的,並且通過行為的變化也可以推斷出學習者內心的活動。在認知學習理論中,如Ausubel提出的有意義學習理論(又稱同化理論),其核心思想是獲得新信息主要取決於認知結構中已有的有關觀念;意義學習是通過新信息與學習者認知結構中已有的概念相互作用才得以發生;由於這種相互作用的結果,導致了新舊知識意義的同化。Gagne提出的信息加工學習理論則將學習過程類比成計算機的信息加工過程,學習結構由感受登記器、短時記憶、長時記憶、控制器、輸出系統組成,認知過程可分為選擇性接收、監控、調節、複述、重構。在這個信息加工過程中,非常關鍵部分是執行控制和期望。執行控制是指已有的學習經驗對當前學習過程的影響,期望是指動機系統對學習過程的影響,整個學習過程都是在這兩個部分的作用下進行的。
內省學習是一種自我反思、自我觀察、自我認識的學習過程。在領域知識和範例庫的支持下,系統能夠自動進行機器學習算法的選擇和規劃,更好進行海量信息的知識發現。
內隱學習就是無意識獲得刺激環境複雜知識的過程。在內隱學習中,人們並沒有意識到或者陳述出控制他們行為的規則是什麼,但卻學會了這種規則。在80年代中期之後,內隱學習成了心理學界、尤其是學習和認知心理領域最熱門和最受關注的課題,成了將對認知心理學的發展產生深遠影響的最重要課題之一。內隱學習具有以下三個特點:
內隱知識能自動地產生,無需有意識地去發現任務操作的外顯規則;
內隱學習具有概括性,很容易概括到不同的符號集合;
內隱學習具有無意識性,內隱獲得的知識一般不能用語言系統表達出來。

認知科學語言

人類進化過程中,語言的使用使大腦兩半球功能分化。語言半球的出現使人類明顯有別於其他靈長類。一些研究表明,人腦左半球同串行的、時序的、邏輯分析的信息處理有關,而右半腦同並行的、形象的、非時序的信息處理有關。
語言是以語音為外殼、以詞彙為材料、以語法為規則而構成的體系。語言通常分為口語和文字兩類。口語的表現形式為聲音,文字的表現形式為形象。口語遠較文字古老,個人學習語言也是先學口語,後學文字。
語言是最複雜、最有系統、而應用又最廣的符號系統。語言符號不僅表示具體的事物、狀態或動作,而且也表示抽象的概念。漢語以其獨特的詞法和句法體系、文字系統和語音聲調系統而顯著區別於印歐語言,具有音、形、義緊密結合的獨特風格。概念是反映事物的特有屬性的思維形態,概念與語詞有密切的聯繫。概念的產生和存在,必須依附於語詞。語詞所以能夠表示其它事物,就是由於人們頭腦中有相應的概念。所以,語詞是概念的語言形式,概念是語詞的思想內容。
從神經、認知和計算三個層次上研究漢語,給予我們開啓智能之門極好的機遇。漢語的認知心理學研究已有多年曆史,取得了世界一流的研究成果。但這些研究多側重於漢字與詞彙,對更高層次的句法和語句加工尚需深入探討。對整個言語鏈的研究還不夠系統,特別是對腦的語言加工機制知之不多。在智能系統領域,我國對漢語計算機信息處理極為重視,曾投入大量資金,支持計算語言學機器翻譯自然語言理解系統的研究和開發,取得了一大批重要成果。但就整體而言,語言信息的智能處理存在許多懸而未決的問題,其解決必須需要以認知科學的研究為基礎,以新的理論為指導才有可能取得突破。
1991年Mayeux和Kandel在Wernicke-Geschwind模型基礎上提出新的語言信息處理模型。聽覺輸入的語言信息由聽皮層傳至角回,然後至Wernicke區,再傳到Broca區。視覺輸入的語言信息直接從視覺聯合皮層傳至Broca區。對一個詞的視知覺與聽知覺是由感覺模式不同的通路相互獨立地處理的。這些通路各自獨立地到達Broca區,以及與語言含義和語言表達相關的更高級區域。大腦中語言處理通路的每一步工作機理都有待深入研究。
用數學方法研究語言,尋找語言結構的形式、模型和公式,使語言的語法規則能象數學符號和公式一樣具有系統化、形式化的特點,可以用來生成無限的句子。美國著名語言學家Chomsky於1956提出了語言的形式文法,為語言信息處理建立了理論基礎。1996年,Yip和Sussman提出在語音學規則中使用雙向約束傳播機理,可以解釋神經水平的聽覺信號怎樣對應思維層次的符號。
值得一提的是,機器翻譯涉及語言學、計算機科學、認知科學、數學等多個學科,是一門前沿交叉學科。這一充滿挑戰的研究領域,被列為21世紀世界十大科技難題的第一位。不過就已有的成就來看,機譯系統的譯文質量離終極目標仍相差甚遠;而機譯質量是機譯系統成敗的關鍵。 [1] 
中國數學家、語言學家周海中教授曾在論文《機器翻譯五十年》中指出:要提高機譯的質量,首先要解決的是語言本身問題而不是程序設計問題;單靠若干程序來做機譯系統,肯定是無法提高機譯質量的。另外,在人類尚未明瞭人腦是如何進行語言的模糊識別邏輯判斷的情況下,機譯要想達到“信、達、雅”的程度是不可能的。這些都是制約機譯質量提高的瓶頸。

認知科學記憶

記憶是人腦對過去經驗中發生過的事物的反映,是新獲得行為的保持。由於記憶,人才能保持過去的反映,使當前的反映在以前反映的基礎上進行,使反映更全面、更深入。也就是有了記憶,人才能積累經驗,擴大經驗。
人類記憶有三種類型:感覺記憶、短時記憶和長時記憶。刺激作用停止後,它的影響並不立刻消失,可以形成後象。視覺後象最為明顯。後象可以説是最直接、最原始的記憶。後象只能存在很短的時間,如最鮮明的視覺後象也不過持續幾十秒鐘,這就是感覺記憶。短時記億的時間間隔比感覺記憶的要長些。但是,存儲材料的時間也只有一分鐘左右,或者甚至更短些。長時記憶是指保持時間在一分鐘以上信息存儲。人類的記憶可以分為過程記憶和命題記憶。過程記憶是保持有關操作的技能,主要由知覺運動技能和認知技能組成。命題記憶是存儲用符號表示的知識,反映事物的實質。命題記憶更進一步分為情景記憶和語義記憶。前者是存儲個人發生的事件和經驗的記憶形式。後者是存儲個人理解的事件的本質的知識,即記憶關於世界的知識。
1974年,Baddeley和Hitch在模擬短時記憶障礙的實驗基礎上提出了工作記憶的三系統概念,用“工作記憶”代替了原來“短時記憶”的概念。Baddeley認為工作記憶指的是一種系統,它為複雜的任務比如言語理解、學習和推理等提供臨時的儲存空間和加工時所必需的信息,工作記憶系統能同時儲存和加工信息,這和短時記憶概念僅強調儲存功能是不同的。工作記憶分成三個子成分,分別是中樞執行系統、視空初步加工系統和語音環路。大量行為研究和神經心理學上的許多證據表明了三個子成分的存在,有關工作記憶的結構和作用形式的認識也在不斷地豐富和完善。人們發現工作記憶與語言理解能力、注意及推理等聯繫緊密,工作記憶藴藏智能的玄機。

認知科學注意

50年代中期以來,隨着認知心理學的興起,人們重新認識注意在人類大腦信息加工中的重要性,提出了若干注意模型。其中有代表性的是注意的過濾模型和衰減模型,它們屬於知覺選擇模型。這兩種模型把注意機制定位於信息加工的知覺階段,在識別之前實現信息選擇。與知覺選擇模型形成對照的是反應選擇模型,它認為注意的作用不是選擇刺激,而是選擇對刺激的反應。該模型認為,所有的信息都可以進入高級處理階段,但只有最重要的信息才會引起中樞系統的反應。這兩類模型的側重點不同,知覺選擇模型強調集中注意,而反應選擇模型則注重分配注意。兩者爭論的焦點是注意機制在信息加工中的位置。注意的中樞能量模型就是在這一背景下產生的。該模型的理論基礎是信息系統的有限加工能力。它避開了注意機制在信息加工中的位置這個難題,使知覺選擇模型和反應選擇模型的實驗結果在形式上得到了統一;但缺點是沒有揭示注意所涉及的信息加工過程。
隨着腦成像技術和神經生理研究的迅速發展,使得把注意網絡從其他信息處理系統中分離出來的努力成為現實。利用正電子斷層掃描(PET)和功能磁共振成像(fMRI)技術,可以較精確地測量在完成特定的注意任務時大腦各區域腦血流的變化(rCBF),從而確定各個注意子網絡的功能結構和解剖定位。80年代初期,Treisman提出的特徵整合模型把注意和知覺加工的內部過程緊密地結合起來,並用“聚光燈”形象地比喻注意的空間選擇性。根據這一模型,視覺處理過程被分為兩個相互聯繫的階段,即預注意和集中注意階段。前者對視覺刺激的顏色、朝向和運動等簡單特徵進行快速、自動的並行加工,各種特徵在大腦內被分別編碼,產生相應的“特徵地圖”。特徵地圖中的各個特徵構成預注意的表象。預注意加工是一個“自下而上”的信息處理過程,並不需要集中注意。特徵地圖的各個特徵在位置上是不確定的,要獲得物體知覺就需要依靠集中注意,通過“聚光燈”對“位置地圖”進行掃描,把屬於被搜索目標的各個特徵有機地整合在一起,實現特徵的動態組裝。1989年,Gray指出集中注意可以引起與被注意事件相關的神經元的同步發放,同步發放通常表現為40周左右的同步振盪。這一發現為注意的特徵整合模型提供了神經生理證據。
根據已有的研究結果,Posner把注意網絡分為三個子系統:前注意系統、後注意系統和警覺系統。前注意系統主要涉及額葉皮層、前扣帶回和基底神經節。後注意系統主要包括上頂皮層、丘腦枕核和上丘。警覺系統則主要涉及位於大腦右側額葉區的藍斑去甲腎上腺素到皮層的輸入。這三個子系統的功能可以分別概括為定向控制、指導搜索和保持警覺。

認知科學意識

意識也許是人類大腦最大的奧秘和最高的成就之一。自1879年現代心理學建立以來,意識就成為心理學的主要研究對象。James認為,心理學是研究意識的科學。但由於方法問題,不可能對意識進行具體的科學研究。20世紀20年代興起的行為主義心理學,不承認意識的存在。50年代出現的認知心理學重新提出意識問題,並且從知覺和覺知入手研究意識。對知覺的研究已取得較大的進展,但目前對覺知及其它問題的研究仍處於初步階段。
對意識給予統一、確切的科學定義在當前是十分困難的。不同的領域,對意識的理解也是不同的。諾貝爾獎獲得者Crick認為,意識所涉及的是注意和短時記憶相結合的神經機制,可以用科學的方法去研究[4].Crick關於意識的驚人假設和通過視覺注意和短時記憶研究視覺意識的具體建議,引起了大批認知心理學家、神經科學家和計算神經科學家的廣泛興趣。
80年代末90年代初在視覺生理研究方面有一個重大的發現:從不同的神經元的發放中記錄到同步振盪現象,這種大約40Hz的同步振盪現象被認為是聯繫不同圖像特徵之間的神經訊號。Crick和Koch提出視覺注意的40Hz振盪的模型。並推測神經元的40Hz同步振盪可能是視覺中不同特徵進行“捆綁”的一種形式。至於“自由意志”,Crick認為它與意識有關,牽涉到行為和計劃的執行。另一位諾貝爾獎獲得者Eccles,熱衷於意識問題的研究。他與哲學家Popper合著的“自我與大腦”一書中,發表了“三個世界”的哲學觀點。認為世界1包括所有物質世界(大腦也在內),世界2包括人的精神世界,世界3包括人的社會、語言、科學、文化等活動。他後期的著作中,根據神經系統的結構和功能,提出“樹突子”(dendron)的假設,樹突子是神經系統的基本結構和功能單元,由100個左右頂部樹突構成。估計在人腦中有40萬個樹突子。他進而又提出“心理子”(Psychon)的假設,世界2的心理子與世界1的樹突子相對應。由於樹突中的微結構與量子尺度相近,所以量子物理有可能用於意識問題。
意識是一個複雜的問題,應該找一個切入點,並且結合當前可用的技術手段進一步深入地研究。研究意識可以將覺知(awareness)和非覺知作為切入點,找到神經相關物在腦活動中的區別。
實際上還有一個情感系統,近年來呈現活躍的研究態勢。免疫系統與智能也有密切的關係,限於篇幅,這裏就不展開討論了。
參考資料
  • 1.    機器翻譯的前世今生  .和訊網.2011-09-28[引用日期2013-07-08]
  • 2.    《情感之源:關於人類情緒的科學》美 維克托·S·約翰斯頓著,翁恩琪、劉贇、劉華清譯。P4~P8