楊天明：我們的大腦會(huì)擲硬幣嗎？來聊聊決策的神經(jīng)機(jī)制

演講嘉賓：楊天明

中科院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員

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很榮幸能夠跟大家分享一些我們的研究，以及一些我們特別關(guān)心的問題。在講正題之前，我想給大家先打個(gè)預(yù)防針，其實(shí)在我們這個(gè)領(lǐng)域，不知道的要比知道的多得多。所以在我講完之后，也許你會(huì)發(fā)覺你得到的問題比答案還多。

我會(huì)講到若干個(gè)對(duì)智能體的研究，首先是在動(dòng)物中的研究。我們知道，地球上有很多很聰明的動(dòng)物，其中猴是跟人最接近的一種動(dòng)物。我們經(jīng)常會(huì)用猴來做大腦方面的研究，一方面是因?yàn)樗苈斆?，還有一方面是因?yàn)樗拇竽X結(jié)構(gòu)跟人非常相像。

但有一個(gè)問題：人和猴子在智能方面似乎有一條鴻溝，比方說人會(huì)說話，猴子不會(huì)說話；人會(huì)有各種各樣高級(jí)的文化，猴子到現(xiàn)在還生活在森林里面。那么為什么猴子跟人有相似的大腦，但是彼此之間的差別這么大？

下一個(gè)問題和AI有關(guān)。近年來大家會(huì)在新聞中聽到或看到各種對(duì)AI的介紹。很多人就會(huì)問：“現(xiàn)在AI是不是已經(jīng)超過我們了？”或者問：“AI和我們?nèi)擞惺裁床顒e？AI和動(dòng)物比起來有什么差別？”

什么是棋感？

在我們講抉擇之前，先來看一個(gè)非常簡(jiǎn)單的、大家熟悉的例子。

我們面前是一個(gè)圍棋棋盤，圍棋棋盤是19×19的方格。每次下棋時(shí)你需要把棋子放在交叉線的位置，一開始下棋有361種可能性。圍棋復(fù)雜的地方就在這里，下的每一步棋都有上百種可能性。平均下來，可能算三步就有上百萬種可能性。一般人的大腦都沒有能力把上百萬種可能性去想一遍，所以我們是怎么下棋的？

對(duì)于初學(xué)者，或是像我這樣圍棋水平很爛的人，通常采用的方法就是放棄，就是瞎蒙一個(gè)地方在那里擺一下。但如果你問圍棋高手：“你們?yōu)槭裁聪聡迥軌蛩愕眠@么精準(zhǔn)，你是怎么下的？”他們會(huì)告訴你“我有棋感”——看一下盤面就知道某個(gè)地方是最關(guān)鍵的地方。于是在這個(gè)盤面上，可能只有兩三個(gè)關(guān)鍵的地方需要去考慮，然后他們就根據(jù)這兩三種可能性，去推想下一步會(huì)怎么樣，再下一步怎么樣。

所以可以看到，其實(shí)他們推理的步驟也沒有特別多——他們不是在開局下第一個(gè)子的時(shí)候，一次性推理到二十步之后是什么樣的。但是他們有很好的棋感，只需要推理相當(dāng)少的可能性就可以下得非常好。所以在下圍棋這一門藝術(shù)當(dāng)中——很多人都在說“下圍棋是聰明人的運(yùn)動(dòng)、要有高度的邏輯”之類的話——其實(shí)最關(guān)鍵的一個(gè)地方是棋感，而培養(yǎng)棋感卻是非常沒有邏輯的。你如果讓圍棋高手解釋“你為什么覺得這幾個(gè)位置是最關(guān)鍵的位置”，他們也許可以說出個(gè)道理來，但他們?cè)谙缕宓臅r(shí)候是不會(huì)運(yùn)用邏輯去產(chǎn)生這些棋感的。

那“棋感”究竟是什么？從來沒有下過棋的人，說到棋感可能非常迷茫，但其實(shí)棋感在我們每個(gè)人的腦子里都有。從神經(jīng)科學(xué)的角度來考慮，它就是把一個(gè)棋局的信息通過我們的眼睛送到大腦。大腦里有一個(gè)非常神奇的評(píng)估系統(tǒng)，幫助我們把局面算出來，評(píng)估這個(gè)局面是好還是壞。評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)果在我們大腦里產(chǎn)生的主觀體驗(yàn)，就是我們所謂的“棋感”。

再舉一個(gè)更加貼近生活的例子。你在路上看見一個(gè)小朋友，你的第一感覺肯定是“小朋友非常可愛”，至少我希望你們覺得這個(gè)小朋友特別可愛，因?yàn)樗俏业募胰恕?br/>

但是你產(chǎn)生的第一感覺運(yùn)用了很多邏輯推理嗎？你也許會(huì)覺得他的眼睛比較亮，或者他張嘴吐舌頭的樣子很可愛，或者他的臉型可能屬于那種比較可愛的臉型。這些邏輯雖然是成立的，但是你去做判斷、產(chǎn)生這種喜愛的感情時(shí)，是不會(huì)用這些邏輯的。

作為對(duì)比，你看到圖中所示的恐龍，它也是張著嘴露著牙齒吐出一點(diǎn)舌頭，但你絕不會(huì)有一種非常喜愛的感覺。你看到這個(gè)家伙時(shí)，你不會(huì)想它的牙齒比小朋友尖一點(diǎn)，嘴張得大一些，就覺得這個(gè)東西比較可怕。我們身體里面有一個(gè)非常高效的評(píng)估系統(tǒng)，你只要看一眼就會(huì)把這些因素都整合在一起，馬上產(chǎn)生評(píng)估的答案：這是好是壞；你是應(yīng)該逃跑、躲起來，還是應(yīng)該去作一些其他的反應(yīng)。

我剛才說的這種情感，它和前面的棋感其實(shí)是一回事。我們把感覺信息（在剛才的例子中是視覺信息，但也可能是聽覺或者觸覺信息）送到大腦，里面有一個(gè)非常高效的、快速的評(píng)估系統(tǒng)，來幫助我們作出抉擇。評(píng)估系統(tǒng)會(huì)讓我們產(chǎn)生一種體驗(yàn)，我們感覺起來就是“情感”，因?yàn)橛袝r(shí)候情感可能不直接是大喜大悲的感覺，也有些人會(huì)把它叫作“直覺”。

我今天要講的就是我們的情感（評(píng)估系統(tǒng)）和我們的邏輯推理這兩個(gè)系統(tǒng)，如何共同幫助我們做出好的決策。

還需要說明一點(diǎn)，那就是我說的情感跟表情需要區(qū)分開。表情雖然跟我們的情感是直接掛鉤的，但它其實(shí)主要是一種我們用來交流的工具。我們通過表情來告訴別人，我們現(xiàn)在心里想的是什么，我們現(xiàn)在自身的狀態(tài)是什么樣的。它并不直接和我們的抉擇掛鉤，所以這不是今天我要講的。

大腦的視覺系統(tǒng)

讓我們回到上一話題，不管是棋感還是其他的、比方說恐懼之類的感情，就像我剛才說的，都是通過某種復(fù)雜的計(jì)算做出來的，而這個(gè)計(jì)算的過程主觀上是不能夠解釋的。很多人就會(huì)覺得很奇怪：人不是一種理性的動(dòng)物嗎？我們想問題的時(shí)候不應(yīng)該都很有邏輯的嗎？為什么我們的大腦里面還會(huì)有這種非常神奇、無法解釋的系統(tǒng)？

其實(shí)不是這樣的，關(guān)于大腦的活動(dòng)，主觀能解釋的部分是非常少的。在這里我舉個(gè)例子——視覺系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)做非常普通的事情時(shí)，比方說我看見一個(gè)蘋果，知道它是蘋果，這對(duì)大家來說是毫不費(fèi)力的事情，是每個(gè)人平時(shí)都會(huì)遇到的事情。但仔細(xì)想一想，這當(dāng)中涉及的計(jì)算其實(shí)是非常復(fù)雜的。在經(jīng)過幾十年的研究之后，我們現(xiàn)在還沒有非常成熟的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)還不能很好地去辨別，這也是現(xiàn)在做機(jī)器人的主要障礙之一。

大腦是怎么解決這個(gè)問題的？在這里我簡(jiǎn)單講一下大腦的視覺系統(tǒng)。因?yàn)楹镒拥拇竽X和人腦非常像，而且我們對(duì)猴子大腦的了解比較多，所以我在這里以猴子的大腦為例，來說明視覺系統(tǒng)是怎么工作的。

（左上角）圖的右邊是猴子大腦的前方，而猴子大腦的后半部分、圖中顏色比較深的區(qū)域是猴子的視覺系統(tǒng)。你可以看到，幾乎有50%的大腦皮層屬于視覺系統(tǒng)，這里還沒有把全部視覺系統(tǒng)畫出來。

猴子大腦中負(fù)責(zé)視覺的部分是非常多的，在人腦中其實(shí)也是一樣。你如果仔細(xì)看圖中一些小的標(biāo)記，不同的顏色代表視覺系統(tǒng)的不同層次，從V1、V2這樣一層一層地往上。當(dāng)圖像（居里夫人）進(jìn)入我們的視野，處理信息的第一層是視網(wǎng)膜，之后經(jīng)過一層一層這樣的處理，最終到最頂層的時(shí)候，我們才能知道我們?cè)诳吹氖鞘裁?/strong>。

這些層次之間有什么不一樣？視覺信息進(jìn)入視網(wǎng)膜的時(shí)候，視網(wǎng)膜細(xì)胞關(guān)心的是最原始的信息，比方說你看到一張圖片的話，是圖片中的某個(gè)像素：它是亮的還是暗的？是什么顏色的？這是在最底層實(shí)現(xiàn)的。接下來進(jìn)入大腦皮層的第一層V1的時(shí)候，可能會(huì)處理稍微高級(jí)一些的信息，比如線條、輪廓。然后再把這些信息進(jìn)一步整合、再整合……到最后大腦就可以神奇地告訴你，看到的是蘋果還是別的什么東西。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

大腦對(duì)信息整合的原理是什么呢？經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的研究，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域也沒有很清晰的理論來解釋大腦在整合的過程中做了哪些事情。但非常有意思的是，最近十年內(nèi)，在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，根據(jù)人腦的運(yùn)作方式開發(fā)出的最新人工智能系統(tǒng)——深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)和人腦非常像，也是由一層一層的人工神經(jīng)元去做處理。剛開始可能只能處理像素、線條和輪廓這樣比較簡(jiǎn)單的東西，但經(jīng)過不停學(xué)習(xí)后，最終輸出時(shí)它可以擁有辨識(shí)物體的能力。而且人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟真實(shí)的大腦還可以建立一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)早期的幾層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟大腦早期的真實(shí)神經(jīng)元的反應(yīng)很像，而比較高層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又和大腦中比較高層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很像。這樣我們就可以用從神經(jīng)科學(xué)中了解到的知識(shí)來建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成某項(xiàng)功能，然后人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又幫助我們?nèi)チ私馊说囊曈X系統(tǒng)究竟是怎么操作的。

深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看起來非常神奇，它可以完成非常復(fù)雜的任務(wù)。那它究竟是什么樣的？深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)就是所謂的“深”?！吧睢笔鞘裁匆馑?？它有很多層的神經(jīng)元。第一層是輸入層，如果一些光點(diǎn)之類的信息送進(jìn)來，在這一層它會(huì)做一個(gè)整合。每一層做整合，都是把局部的信息整合在一起，做一些簡(jiǎn)單處理之后再往上送，下一層又是把當(dāng)前層的局部信息進(jìn)行處理。

如果一層網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)神經(jīng)元都會(huì)收到上一層的局部信息的話，其實(shí)整層網(wǎng)絡(luò)收到的信息要比上一層更加全局一些。所以當(dāng)你把很多層網(wǎng)絡(luò)疊加在一起，在最上層的神經(jīng)元其實(shí)處理的是全局的信息，而且它可以把在全局信息當(dāng)中每一層提取出來最關(guān)鍵的信息綜合在一起。這也基本上是深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠成功的一個(gè)原因。

必須要說的是，雖然目前我們能夠訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做很多事情，其實(shí)我們還是不知道它的邏輯是什么。如果要數(shù)學(xué)家寫一個(gè)公式，把這邊的輸入（初始信息）通過一個(gè)數(shù)學(xué)公式變成最后的輸出，現(xiàn)在是寫不出的。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里面有非常多的層次，每個(gè)神經(jīng)元當(dāng)中有很多的連接，其中涉及上百萬個(gè)參數(shù)，我們可以把這些參數(shù)通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式慢慢訓(xùn)練出來，但這里面的邏輯我們是不知道的。

像這種完全靠我們自己搭建的系統(tǒng)里面的邏輯，我們都是不知道的，可以想象，我們也完全不知道大腦里面是靠什么邏輯來運(yùn)作的。當(dāng)我們看到一個(gè)蘋果，知道它是蘋果的時(shí)候，我們主觀上并不知道視覺系統(tǒng)究竟做了什么運(yùn)算，而當(dāng)我們用客觀上能用的最先進(jìn)的方法去分析，也不知道它究竟做的是什么樣的運(yùn)算，我們僅知道它現(xiàn)在大致的結(jié)構(gòu)、大致的運(yùn)算原理是什么樣的。這就是我們所謂的“黑箱操作”，有一些信息進(jìn)來，經(jīng)過這個(gè)黑箱，你會(huì)得到一些有用的信息。

大腦的評(píng)估系統(tǒng)

而我們的評(píng)估系統(tǒng)其實(shí)也是一樣的。大腦前方的一塊區(qū)域是我們通常所說的前額葉，它是人類高等智能的一個(gè)中樞。我們之所以這么聰明、會(huì)完成很多復(fù)雜的任務(wù)，都是因?yàn)橛星邦~葉。

圖中有很多不同的腦區(qū)被標(biāo)注出來，不同腦區(qū)之間怎么連接、信息怎么流動(dòng)。從示意圖中大家就知道，我們的評(píng)估系統(tǒng)完全不比視覺系統(tǒng)簡(jiǎn)單，而它的運(yùn)行方式和原理也不是我們能夠直接明白的。從總體上來說，評(píng)估系統(tǒng)對(duì)抉擇起了重要的作用，盡管它是一個(gè)主觀上很難理解的系統(tǒng)。

在評(píng)估系統(tǒng)當(dāng)中，尤其在剛才提到的這些腦區(qū)當(dāng)中，我特別要提醒大家注意的一個(gè)腦區(qū)叫做眶額葉，英文縮寫是OFC，它的全稱叫Orbito Frontal Cortex。

它為什么叫眶額葉呢？眶額葉的位置其實(shí)就在眼眶的上方。這個(gè)腦區(qū)有個(gè)非常有意思的特點(diǎn)，它有兩個(gè)很重要的輸入：一方面它接收來自感覺皮層、特別是視覺皮層的感覺信息的輸入，另一方面它又會(huì)接收來自我們大腦獎(jiǎng)賞系統(tǒng)關(guān)于獎(jiǎng)賞信息的輸入。

當(dāng)眶額葉同時(shí)接受這兩種輸入后，可以做些什么呢？它可以給我們看到的、感受到的這些東西打分。我們的獎(jiǎng)賞系統(tǒng)平時(shí)做的事情，就是如果你得到獎(jiǎng)勵(lì)，吃到好吃的，做了讓自己開心的事情的時(shí)候，它就會(huì)興奮起來。然后，眶額葉就會(huì)把獎(jiǎng)賞系統(tǒng)的輸出跟感覺皮層的輸出掛鉤在一起，這樣它就可以學(xué)習(xí)到是什么給自己帶來愉悅的感受，什么東西對(duì)你來說是好的，什么是壞的。所以，它可能就是評(píng)估系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，它幫助你把感覺系統(tǒng)所處理的信息去跟“好”、“壞”這樣的評(píng)估掛鉤在一起。

去年我們的博士生張哲偉同學(xué)建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型去模擬眶額葉的工作，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以接受視覺皮層信息和獎(jiǎng)賞系統(tǒng)信息。他比前人所進(jìn)一步的是，他發(fā)現(xiàn)把這兩個(gè)信息同時(shí)輸入到所謂的隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)就可以很好地模擬眶額葉的工作，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)的輸出進(jìn)行學(xué)習(xí)。也就是當(dāng)你訓(xùn)練這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，它慢慢地就會(huì)學(xué)習(xí)到什么東西是好的、什么東西是壞的，就可以做抉擇。

眶額葉、包括我們整個(gè)評(píng)估系統(tǒng)一旦訓(xùn)練了之后就特別高效。比方下圍棋，你一旦有了棋感就會(huì)下得特別好。那么就有人會(huì)問：為什么大腦的結(jié)構(gòu)不是完全布滿評(píng)估系統(tǒng)，這樣就不需要其他東西來幫助我們做抉擇？

其實(shí)評(píng)估系統(tǒng)是有缺陷的，先舉一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子，比方說一個(gè)人生病了，醫(yī)生說你的病比較嚴(yán)重，我們需要做個(gè)手術(shù)。如果這個(gè)醫(yī)生說你這手術(shù)有90%的成功率，你聽完了之后想應(yīng)該沒什么問題；但如果這個(gè)醫(yī)生是另外一種說法，他說手術(shù)是10%的死亡率，你有什么感覺？你一下子就覺得這個(gè)世界好像已經(jīng)離我有點(diǎn)遠(yuǎn)。

但仔細(xì)看一下這兩種說法，它其實(shí)是一模一樣的。90%的成功率和10%死亡率是一回事情，那么為什么同樣的說法會(huì)給你帶來截然不同的感受呢？因?yàn)槲覀兊脑u(píng)估系統(tǒng)非常容易受到誤導(dǎo)，在前一種說法里面，它注重的是成功率。當(dāng)你聽到成功率，又看到一個(gè)比較大的數(shù)字，你的評(píng)估系統(tǒng)就會(huì)給你一個(gè)比較正面的反應(yīng)。但是在后一種說法里面，你首先看到的是死亡這兩個(gè)非常礙眼的字。所以當(dāng)你接收到信息的時(shí)候，評(píng)估系統(tǒng)給出的答案就會(huì)非常不同。

這也就是為什么大腦當(dāng)中存在評(píng)估系統(tǒng)，但我們平時(shí)做事情并不完全是用評(píng)估系統(tǒng)來做的，人是理性的、有邏輯的，這并不包括我們的評(píng)估系統(tǒng)。

評(píng)估系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？它做事很快。我剛才沒有強(qiáng)調(diào)，評(píng)估系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)事情的并行處理。什么叫并行處理？就是很多信息進(jìn)來，它可以同時(shí)進(jìn)行處理，比方說我看到的東西、聽到的東西，還有其他信息，同時(shí)進(jìn)入我的大腦，我不是一條一條去處理信息。我看到小朋友的照片，我不會(huì)先看他的眼睛，再看他的嘴巴長(zhǎng)什么樣，大腦當(dāng)中有不同腦區(qū)的不同神經(jīng)元同時(shí)對(duì)這些進(jìn)行操作，這樣你才能達(dá)到一個(gè)非常快的計(jì)算速度。

還有一個(gè)問題就是這個(gè)操作我們主觀是不能直接感覺到的，所以我們也沒辦法直接對(duì)這個(gè)操作進(jìn)行修正，它萬一發(fā)生了什么錯(cuò)誤，就像我剛才說的死亡率和成功率的問題，你哪怕已經(jīng)知道這兩種說法是一模一樣的，但是我問你一百次，你還是會(huì)覺得90%的成功率聽起來要好聽一些。評(píng)估系統(tǒng)存在這個(gè)問題，黑箱操作就相對(duì)來說就比較僵化、難改一些，它的學(xué)習(xí)就要通過非常緩慢的訓(xùn)練才能夠達(dá)到，是一種漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)。一個(gè)圍棋棋手要有棋感需要經(jīng)過長(zhǎng)期的訓(xùn)練才能做到。

大腦的推理系統(tǒng)

既然評(píng)估系統(tǒng)存在這些問題，大腦當(dāng)中就有另外的解決方案，也就是我這里要說的推理系統(tǒng)。我們平時(shí)在做一些更加復(fù)雜的問題，比方數(shù)學(xué)，做證明題，或者規(guī)劃一下你未來的人生，你不會(huì)光靠評(píng)估系統(tǒng)，你一定會(huì)依賴推理系統(tǒng)。推理系統(tǒng)也是人之所以是人的重要原因。推理系統(tǒng)是大腦當(dāng)中哪些部分管的呢？還是前額葉。但非常遺憾的是，我們整個(gè)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)Υ竽X推理系統(tǒng)的了解非常少。主要原因是我們現(xiàn)在的相關(guān)實(shí)驗(yàn)只能在動(dòng)物中做。

我們不能把人的腦子開一個(gè)洞、插一根電極或者打一針，看一下這個(gè)人的大腦會(huì)有什么反應(yīng)。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都在動(dòng)物中做，但是動(dòng)物的推理系統(tǒng)就非常可疑。我們現(xiàn)在在往這個(gè)方向努力，想在猴子這樣比較高級(jí)聰明的類人動(dòng)物中研究推理系統(tǒng)。但在整個(gè)領(lǐng)域里，我們還不知道前額葉的推理系統(tǒng)究竟怎么運(yùn)轉(zhuǎn)。如果對(duì)不同物種的前額葉做比較，獼猴的前額葉雖然相對(duì)其他動(dòng)物來說比較大，但跟人有本質(zhì)的區(qū)別。

可以看到人腦中前額葉這部分，它不是等比例地比猴子大，它在整個(gè)大腦當(dāng)中所占的比例要比猴子的前額葉在整個(gè)大腦當(dāng)中占的比例要大得多，所以我們也認(rèn)為人的推理能力也比猴子要高很多。

那么實(shí)驗(yàn)室是怎么研究大腦推理系統(tǒng)？我們還是先在猴子中研究。我們所采用的一個(gè)切入點(diǎn)，就是所謂串行和并行。我剛才談到大腦的評(píng)估過程是一個(gè)并行處理的過程，有很多信息送進(jìn)來，在一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進(jìn)行處理，做了很多加工，然后它得到的結(jié)果就一下子可以送出來；但我們的推理系統(tǒng)相對(duì)來說是一個(gè)串行的結(jié)果。比方說我讓你算一個(gè)數(shù)學(xué)問題，321×568等于多少？你拿出一張草稿紙來，把個(gè)位數(shù)和個(gè)位數(shù)相乘，十位數(shù)和十位數(shù)相乘，這樣慢慢一步一步算下來，但你整個(gè)過程都是串行地做的，你一次只能操作一個(gè)數(shù)字。當(dāng)你想問題時(shí)，一次只能想一件事情，很少有人可以把兩個(gè)復(fù)雜的問題同時(shí)進(jìn)行處理。

串行操作是我們大腦推理系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)。我們假設(shè)猴子大腦中某個(gè)腦區(qū)進(jìn)行推理時(shí)應(yīng)該符合串行操作原理。我們?cè)噲D去找到它，于是我們就做了這么一個(gè)實(shí)驗(yàn)。我們訓(xùn)練猴子去看一個(gè)不那么復(fù)雜、相對(duì)簡(jiǎn)單的圖片。舉個(gè)例子，比方說大家到一個(gè)水果攤?cè)ベI水果，你要選你最喜歡的水果，你肯定不是在水果攤面前站一下，然后所有的信息涌到你腦子里，唰一下就挑出個(gè)蘋果是你最喜歡的。我們通常所做的是拿起一個(gè)蘋果看一下它的顏色形狀大小，聞一下味道，甚至捏一下手感，如果覺得這蘋果好我就買下，如果覺得不好我把蘋果放下，然后再去看一下香蕉怎么樣。也就是說這個(gè)挑選水果的評(píng)估過程它分成兩部分，一部分是拿起蘋果來評(píng)估一下是好是壞，給它打分?jǐn)?shù)；另一部分就是我剛才說的串行過程，我先看蘋果，再看香蕉，再看橘子的這樣一步一步切換的過程。

而猴子在做這件事時(shí)，我們對(duì)它的大腦前額葉進(jìn)行記錄，就發(fā)現(xiàn)前額葉中的眶額葉的確反映了評(píng)估過程。當(dāng)猴子在看一整個(gè)場(chǎng)景時(shí)，眶額葉會(huì)編碼當(dāng)中某一樣?xùn)|西的價(jià)值。但非常有意思的是，它不是編碼所有東西的價(jià)值，它只編碼其中一樣，也就是猴子注意力正在關(guān)注的那個(gè)東西。

所以我們實(shí)驗(yàn)室的博士生謝洋同學(xué)經(jīng)過很多年的工作后發(fā)現(xiàn)，眶額葉不僅是一個(gè)評(píng)估系統(tǒng)的中樞，還是一個(gè)從評(píng)估系統(tǒng)到推理系統(tǒng)的橋梁。推理系統(tǒng)決定我們現(xiàn)在應(yīng)該評(píng)估什么，評(píng)估系統(tǒng)的眶額葉可以隨時(shí)報(bào)告這個(gè)評(píng)估的結(jié)果是怎么樣，幫助我們整個(gè)大腦去做抉擇。

我們講了這么多眶額葉，它不僅是評(píng)估系統(tǒng)的高級(jí)核心，還是從評(píng)估到推理的一個(gè)關(guān)鍵橋梁。那如果眶額葉有問題了會(huì)怎么辦？我們就得提到一個(gè)歷史名人——菲尼斯·蓋奇，19世紀(jì)的一個(gè)美國(guó)鐵路工人。

菲尼斯·蓋奇：揭秘神經(jīng)科學(xué)史上最有名的病人

手執(zhí)鐵夯，左眼緊閉，菲尼斯·蓋奇的這幅肖像伴隨著他的神秘故事一直流傳至今，他是神經(jīng)科學(xué)史上最有名的病人之一。

他在工地的時(shí)候發(fā)生了一個(gè)事故。他當(dāng)時(shí)在工地修鐵路，需要買炸藥開山炸路。有次他用一根鐵棍把炸藥壓緊，鐵棍不小心撞到石頭上產(chǎn)生火星引發(fā)爆炸，鐵棍飛出來，從他的左眼眶穿入，穿過他的整個(gè)頭頂。

非常幸運(yùn)的是，他用的鐵棍非常光滑，沒有什么毛刺，而且由于爆炸力非常強(qiáng)大，鐵棍飛快地從他頭部穿過，沒有造成一些擴(kuò)散性的創(chuàng)傷，也正好沒穿過任何主要血管。所以雖然他頭上留下了一個(gè)大洞，但是人活下來了，最后還基本康復(fù)。不過他的左眼已經(jīng)沒有了，鐵棍穿過的時(shí)候他左眼受到損傷——他手里舉的這根棍子就是當(dāng)初穿過它整個(gè)頭顱的棍子。這個(gè)事故的直接后果就是大腦的前額葉、特別是眶額葉這塊就被完全破壞。

我們剛才提到前額葉非常重要，大家可以想象一下，他的前額葉發(fā)生破壞之后會(huì)發(fā)生什么事情？可能你們會(huì)猜他是不是變傻了。這個(gè)經(jīng)典病例告訴我們，前額葉破壞了之后不會(huì)變傻。在蓋奇康復(fù)了幾個(gè)月后，專家給他做了心理測(cè)試、智商測(cè)試，發(fā)現(xiàn)他的智力水平跟事故前沒有什么明顯差異。蓋奇還是可以完成像類似以前水平的語言、數(shù)學(xué)等任務(wù)。如果你跟他進(jìn)行短暫的交流，會(huì)覺得他跟正常人差不多。

但在蓋奇身上的確發(fā)現(xiàn)了問題。人們發(fā)現(xiàn)他的生活發(fā)生了一個(gè)特別大的改變，他最大的改變是性格變化。他本來是一個(gè)相當(dāng)聰明友好的人，在發(fā)生事故之前，他已經(jīng)是一個(gè)小工頭的角色，會(huì)做些規(guī)劃，如安排工人們的工作進(jìn)度，是個(gè)非常有條理的人。但在事故之后會(huì)發(fā)現(xiàn)，首先他的脾氣變得非常糟糕，很容易生氣，變化很快，時(shí)而生氣時(shí)而高興，同時(shí)對(duì)其他人非常冷漠，對(duì)他人的感受都沒有什么反應(yīng)，這是他性格情感方面的變化。在另一方面發(fā)覺他的抉擇產(chǎn)生了很大的問題，他沒有耐心，有時(shí)候非常固執(zhí)，想做某個(gè)事情的時(shí)候就一定要做，但有時(shí)候又非常猶豫不決，很難做決定。他在這個(gè)事故前非常有條理、非常有規(guī)劃的特點(diǎn)完全喪失了，因此事故之后他就沒法再回去工作，失業(yè)了。

我們普通人會(huì)覺得這個(gè)人好奇怪，他主要的變化看起來是兩個(gè)不同方面的變化，一方面是感情的變化，另一方面是關(guān)于抉擇能力的變化。但如果你順著我剛才思路來想的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)其實(shí)是密切相關(guān)的。我們的抉擇強(qiáng)烈地依賴于評(píng)估系統(tǒng)，而評(píng)估系統(tǒng)跟我們的情感系統(tǒng)在很大程度上是一回事情。人類高級(jí)評(píng)估系統(tǒng)中的腦區(qū)眶額葉，在情感系統(tǒng)里面也是非常重要的區(qū)域，我們的評(píng)估結(jié)果經(jīng)常通過主觀情感體現(xiàn)出來。所以事故之后，蓋奇在情感和抉擇能力兩方面受到了損傷是很好理解的。

評(píng)估系統(tǒng)和推理系統(tǒng)的對(duì)比

說了大腦這么多事情，我們想說理解大腦是怎么運(yùn)作的，對(duì)AI會(huì)不會(huì)有些啟發(fā)，現(xiàn)在的AI系統(tǒng)是不是借鑒了大腦的思考方式？

舉個(gè)最近非常火的例子，Google的AlphaGo。AlphaGo在2016年著名的人機(jī)世紀(jì)之戰(zhàn)中4:1戰(zhàn)勝了當(dāng)時(shí)的世界冠軍李世石。然后在2017年它又進(jìn)化了，跟我們中國(guó)的世界冠軍柯潔下棋時(shí)5:0大勝。2017年之后就再也沒有人機(jī)世界大戰(zhàn)，因?yàn)樵谶@星球上已經(jīng)沒有可以打敗它的人了。

那么AlphaGo是怎么做的？它是用什么辦法來下棋的？我剛才提到圍棋是個(gè)非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，不僅僅是人，用計(jì)算機(jī)都不可能把所有變化都算出來。你會(huì)發(fā)覺AlphaGo的思路基本上就是我剛才說的評(píng)估、推理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在AlphaGo里也有一個(gè)評(píng)估系統(tǒng)，它的評(píng)估系統(tǒng)大概分成兩個(gè)模塊，兩者都是深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。第一個(gè)模塊叫做策略模塊：把當(dāng)前的棋局輸?shù)缴窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)里，然后經(jīng)過很多層，確切說是十三層深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理，最后輸出最佳的幾個(gè)位置，也就是我剛才說的棋感。

另外還有一個(gè)打分模塊，它更直截了當(dāng)，就是把棋局輸進(jìn)去，經(jīng)過三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理，告訴你分?jǐn)?shù)。它會(huì)告訴你現(xiàn)在盤面對(duì)你有多好，你是可能贏還是可能輸。

在實(shí)際下棋的過程中，AlphaGo通過一個(gè)搜索系統(tǒng)進(jìn)行推理。比方說，現(xiàn)在的棋局是這個(gè)狀況，策略模塊會(huì)說我接下去要考慮這兩個(gè)可能的下法，它在不停地往下考慮，因?yàn)榭赡苄苑浅６?，即使是Google的電腦，也不可能把全部可能性考慮完。所以到了某個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)，它必須在這邊停下來打個(gè)分，評(píng)估是否再往下，或者只能算棋子了。那么可能說三步之后，打的這個(gè)分如果很不錯(cuò)，就從這邊（三步之后）再反推回來，應(yīng)該是通過這樣的方式來下最有可能贏。

AlphaGo系統(tǒng)，基本上就是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的推理策略。加上前面深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，它就可以打敗人類世界冠軍。所以電腦也挺恐怖的，現(xiàn)在我們對(duì)大腦的了解還相當(dāng)粗淺。當(dāng)我們將大腦運(yùn)行的原理與人工智能系統(tǒng)結(jié)合，它已經(jīng)可以做非常厲害的事情。

剛剛提到了評(píng)估系統(tǒng)的各種特點(diǎn)，那么推理系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么呢？

剛說到串聯(lián)處理的一個(gè)直接結(jié)果就是比較慢，做事情需要一步一步地想。但它的好處是有邏輯，每一步思考的過程都是邏輯的過程，從A到B、B到C是非常有邏輯的推理。推理過程非常準(zhǔn)確，不像評(píng)估系統(tǒng)容易受到外界因素的影響，比如注意力的引導(dǎo)等可能會(huì)跑偏。用邏輯計(jì)算就很難出錯(cuò)。它還有個(gè)特點(diǎn)就是相當(dāng)靈活，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)果不對(duì)，因?yàn)檫壿嫷拇嬖?，就可以順著邏輯去找問題出在哪個(gè)地方，學(xué)習(xí)起來非常快。

所以相對(duì)于評(píng)估系統(tǒng)來說，推理系統(tǒng)有很多的優(yōu)勢(shì)。在人類大腦里存在的推理系統(tǒng)，是人之所以是人的原因，也使得人跟其他的動(dòng)物比起來有巨大的差別。讓我們現(xiàn)在擁有這么高度發(fā)達(dá)的文明。

好，我們?cè)俦容^一下不同的物種或者說機(jī)器之間的特點(diǎn)。

我們從人開始討論。前面說了人的評(píng)估能力很強(qiáng)，我們擁有敏銳的直覺。如果說，要對(duì)人類的評(píng)估和推理能力打分，那請(qǐng)問人的推理能力可以打幾分？

我會(huì)只給人類打兩分。

人類的推理能力其實(shí)非常有限。比如下棋，正常人大概只能算兩步。因?yàn)槲覀兊挠洃浫萘糠浅Ｓ邢?。像去記電話?hào)碼，一旦電話號(hào)碼超過九位，就很難一下子記住。如果要做一些更加復(fù)雜的推理，像做人生規(guī)劃，我相信絕大多數(shù)人都會(huì)有些困難，對(duì)吧？所以人類推理系統(tǒng)的打分不是很高。

接下來我們來看一下猴子。大家會(huì)給猴子的評(píng)估系統(tǒng)打幾分？

我會(huì)給他打四分。因?yàn)槿说闹庇X（判斷一個(gè)東西是好是壞，一種情況是不是有利，看到一個(gè)恐龍能不能逃），猴子的系統(tǒng)同樣有這些直覺。猴子的評(píng)估系統(tǒng)其實(shí)非常完善，可以有效幫助他們?cè)谧匀唤绠?dāng)中迅速作出反應(yīng)、做抉擇。但猴子的推理系統(tǒng)比人要差一些，我們現(xiàn)在認(rèn)為猴子雖然也有一定的推理能力，但他肯定不具有人類一樣高級(jí)的邏輯信息運(yùn)算能力，所以猴子的推理能力打一星。

接下來我想讓大家給我們現(xiàn)在最好的AI評(píng)估和推理系統(tǒng)打個(gè)分。你會(huì)打幾分？

我們先從評(píng)估說起，很多人說，一分。OK?？磥泶蠹覍?duì)AI系統(tǒng)的能力非常沒有信心。大家的直覺很對(duì)?？磥泶蠹曳浅Ａ私釧I現(xiàn)在的主要缺點(diǎn)。

AI目前最大的問題就是沒有直覺，沒有足夠的評(píng)估系統(tǒng)，AI沒有最基本的常識(shí)。最基本的常識(shí)都需要靠工程師用很復(fù)雜的程序或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去實(shí)現(xiàn)，稍微高級(jí)一些的常識(shí)在AI系統(tǒng)里面幾乎都沒有。

但AI系統(tǒng)跟我們?nèi)吮绕饋?，有個(gè)非常強(qiáng)大的推理系統(tǒng)，無論圍棋還是數(shù)學(xué)，AI的計(jì)算能力都非常迅速，每秒鐘可以算幾十億次。AI跟人的最大差別就是強(qiáng)大的推理系統(tǒng)。但評(píng)估系統(tǒng)非常薄弱。

那么如果說AI的推理系統(tǒng)這么強(qiáng)大，為什么看起來還是比人笨很多呢?這說明，評(píng)估系統(tǒng)的在人類或者AI當(dāng)中，都非常重要。僅靠推理，很難做出一個(gè)高級(jí)的智能體出來。

如何提高決策能力

最后，我們?cè)賮碇v一下，要提高我們的決策能力，提高思考能力，我們可以做些什么？剛才提到，人類推理系統(tǒng)有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，它的重要的缺點(diǎn)是它的速度、還有精力、效率有限。人類要花費(fèi)很大力氣去下圍棋、算數(shù)，而且效率要低很多。我們要提高決策能力的主要方式，是提高我們?cè)u(píng)估系統(tǒng)的能力。

提高人類評(píng)估系統(tǒng)的能力只有靠多練，我們經(jīng)常說，好記性不如爛筆頭。像下圍棋的人，他們棋感是靠不停練習(xí)出來的。經(jīng)過長(zhǎng)期的訓(xùn)練之后，它就可以把這些非常復(fù)雜的問題——下圍棋本來是要靠這些規(guī)則靠邏輯判斷的問題——從推理系統(tǒng)搬到評(píng)估系統(tǒng)當(dāng)中去做。人類大腦一旦學(xué)會(huì)了把某件事通過評(píng)估系統(tǒng)來解決，就會(huì)變得非常高效，這也是為什么人類在不同領(lǐng)域會(huì)存在專家。

專業(yè)人員和非專業(yè)人員的差別在于，專業(yè)人員經(jīng)過了諸多訓(xùn)練。那些你覺得非常復(fù)雜的事情，對(duì)他們來說，就像看到蘋果，判斷它是蘋果這樣簡(jiǎn)單的考慮過程。一旦達(dá)到這個(gè)階段，人的決策能力就會(huì)大大地增加。但是我們不能完全依賴評(píng)估系統(tǒng)去提高決策能力，還有一些其他辦法可以提高推理系統(tǒng)的效率。

提高推理系統(tǒng)的效率最重要的因素是什么？就是知道應(yīng)該什么時(shí)候運(yùn)用推理系統(tǒng)。大多數(shù)事情不需要用推理系統(tǒng)去做，但在有些情況下，人類是需要用推理系統(tǒng)來解決問題的。

比方說，有一個(gè)老掉牙的智力題，一斤鐵和一斤棉花哪個(gè)重一些？如果你聽過這個(gè)題，肯定知道這兩句話里面都有一斤這個(gè)數(shù)字，所以這兩種東西應(yīng)該是一樣重。但如果你問一個(gè)從來沒有聽到過這個(gè)問題的人，特別是他注意力不集中的時(shí)候，當(dāng)他聽到關(guān)鍵字鐵和棉花的時(shí)候，就會(huì)用評(píng)估系統(tǒng)去解決這個(gè)問題。所以人類要在合適的場(chǎng)合運(yùn)用注意力，開動(dòng)推理系統(tǒng)來解決問題，而不單單依靠評(píng)估系統(tǒng)。

另一個(gè)問題就是跳出常規(guī)，人的評(píng)估系統(tǒng)很容易用慣性思維思考。我不知道大家看武俠書多不多，在金庸的《天龍八部》里面有一個(gè)非常有名的棋局。一眾武林高手想要解開這個(gè)棋局，如果有人能夠解開，就會(huì)得到絕世武功的真?zhèn)??？墒钱?dāng)時(shí)連全天下最會(huì)下棋的武林高手都找不到突破口。他們的問題是棋感太好，一看這個(gè)棋盤，他們腦子里琢磨出最可能下的幾個(gè)位置，然后從這個(gè)角度去思考，導(dǎo)致他們永遠(yuǎn)也解不出來。其實(shí)這就是一個(gè)非常規(guī)的棋局。除非你開始想正常人不會(huì)去想的，特別是有棋感的人不會(huì)去想的策略。最后，解開棋局的人反而是一個(gè)完全不會(huì)下棋的小和尚。這就是跳出常規(guī)。用你的推理系統(tǒng)跳出常規(guī)，不要依賴評(píng)估系統(tǒng)，反而會(huì)得到更好的結(jié)果。

最后我們來說使用工具，要知道推理系統(tǒng)存在的缺陷，它的推理過程比較慢，比較耗費(fèi)精力。就像我剛才說的，好記性不如爛筆頭。該用草稿紙，該用計(jì)算器就要用。要知道這些工具能夠很好地輔助我們。

我剛才解釋了評(píng)估系統(tǒng)，推理系統(tǒng)，最后我想用幾句話來說一下，我們?yōu)槭裁匆芯咳祟惖臎Q策？為什么要研究大腦的抉擇？這不僅僅是我們想知道什么時(shí)候應(yīng)該做什么樣的抉擇，怎么做更好的決策，另一方面研究決策可以告訴我們一些更加深層次的問題。

在這邊我想說的一個(gè)點(diǎn)就是意識(shí)。那么很多關(guān)心大腦的人都會(huì)非常關(guān)心意識(shí)，想知道意識(shí)是怎么產(chǎn)生的？意識(shí)做了些什么？我們?yōu)槭裁匆幸庾R(shí)？

上圖是一幅大腦解剖圖，最上面一塊是大腦皮層，下面則是神經(jīng)系統(tǒng)的一些其它結(jié)構(gòu)。我剛才說了評(píng)估系統(tǒng)是主觀上面沒法體驗(yàn)，不知道他是怎么做的事情，也就是整個(gè)評(píng)估系統(tǒng)都是屬于意識(shí)下的范疇內(nèi)，而只有前額葉在考慮這些問題——我在哪我是誰，我在干什么——這是我們平時(shí)的推理系統(tǒng)不停在想的事情，做推理的時(shí)候你就要清楚我自己狀況是怎么樣，我的目的是什么。也就是說，研究推理系統(tǒng)其實(shí)就是解決意識(shí)問題的一個(gè)關(guān)鍵，如果我們能夠把推理系統(tǒng)搞清楚了，很大程度上就會(huì)知道大腦的意識(shí)是怎么產(chǎn)生的，意識(shí)在做什么。

最后，跟大家分享一個(gè)我非常喜歡的卡通——XKCD，他畫過的一個(gè)場(chǎng)景我不知道大家有沒有經(jīng)歷過。但我經(jīng)常會(huì)遇到這樣的事情。比方說工作得非常晚，然后你晚上坐地鐵回家的時(shí)候，你站在地鐵里面，在考慮一個(gè)很高深的問題，然后你周圍的人看起來好像都非常渾渾噩噩，你突然覺得好像眾人皆醉唯我獨(dú)醒的感覺。你現(xiàn)在都不知道這些人有沒有意識(shí)，但是其實(shí)在車廂里面的每個(gè)人說不定都在想這樣的事情。

通過這個(gè)漫畫，我想說的是意識(shí)是一種很難直接通過行為來研究的東西。真正要了解意識(shí)，需要我們運(yùn)用神經(jīng)科學(xué)的研究手段，進(jìn)入大腦，觀察神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，分析它們和行為之間的關(guān)系，這我覺得才是科學(xué)地研究意識(shí)問題的方法，也是神經(jīng)科學(xué)和抉擇科學(xué)最吸引我的一個(gè)地方。

整理：五月、Root、小葵花、西子

審校：Spring、亦蘭

編輯：EON

楊天明

中科院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員。曾獲得中科院百人計(jì)劃、上海市浦江人才計(jì)劃等支持。復(fù)旦大學(xué)生物化學(xué)學(xué)士，美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)博士。從事大腦的抉擇和認(rèn)知的神經(jīng)機(jī)制研究以及大腦的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究20多年，曾在Nature、Neuron等雜志發(fā)表多篇第一或通訊作者論文，對(duì)我們了解由大腦前額葉以及后頂葉等高級(jí)腦區(qū)所組成的神經(jīng)環(huán)路在抉擇和認(rèn)知過程中所起到的作用作出了重要貢獻(xiàn)。