大脑认知机制是贝叶斯式的吗?

一个学习过手写字符的贝叶斯程序能够生成有差别的类似字符,但这就意味着人脑也是用了贝叶斯程序吗?

如图所示,一个学习过手写字符的贝叶斯程序能够生成有差别的类似字符,但这就意味着人脑也使用了贝叶斯程序吗?

250年前,英国一位牧师托马斯•贝叶斯设计出了一个公式。现在一些科学家认为人脑在阅读文字符号并进行解码时就使用了这一公式所描述的机制:贝叶斯定理;但也有一些科学家对此表示怀疑。

这个由长老会牧师托马斯•贝叶斯发明的公式原本的目的是为了帮助计算概率游戏中的几率,该定理提供了一个方法,能用来在新信息的基础上更新假设的合理性。

该定理已经催生出了大量广泛的应用,尤其是在人工智能领域。这样的成功让一些科学家开始推测也许我们自己的大脑也使用了贝叶斯算法。如果贝叶斯算法能帮助计算机感知、认识、推理和决策,也许它们也能帮助我们的大脑完成类似的任务;毕竟从本质上讲,大脑也不过是怪异又黏糊糊的计算机。

鉴于很多大脑,包括我自己的,在学习贝叶斯定理时都会感到困难,所以贝叶斯大脑理论看起来似乎非常令人惊讶——而且事实上这一理论已经引起了人们的抵触。为了寻找人们对这一理论的看法,上周我和我的大脑参加了一场在纽约大学举办的为期两天的主题会议——「大脑是贝叶斯式吗?」

本次会议是由纽约大学心智、大脑和意识中心的哲学家Ned Block和David Chalmers组织的。该中心一直都很忙。去年11月份,该中心发起了一场关于综合信息论的主题研讨会,我还为此写过一篇评论文章。综合信息论研究者在尝试解释意识——心智如何感知;而贝叶斯理论研究者则关注认知——心智做了什么。纽约大学贝叶斯会议的宣传文案中写道:

近年来,贝叶斯理论在认知科学中得到了极大的关注。根据这些理论,心智可以根据标准的推理概率规则为假设分配概率并对这些假设进行更新。贝叶斯理论已经在感知、学习、记忆、推理、语言、决策等多种研究领域得到了应用;另外,贝叶斯方法在神经科学领域也越来越受欢迎,研究者也基此提出了一些潜在的神经生物学机制。但与此同时,贝叶斯理论也引出了很多基础性的问题,而这些问题的答案一直以来都饱受争议:大脑是否也使用贝叶斯规则?还是它们只是行为的近似描述?贝叶斯理论与非理性认知的匹配度如何?它们需要一种心智的难以置信地统一的看法吗?因为有太多自由度,贝叶斯理论是不是并不重要?感知、认知、推理和意识之间的关系有何内涵?

这都是些好问题,但会议只是提出了它们,并没有将其解决。在这篇文章中,我首先将对本次会议上两位在贝叶斯大脑理论上立场不同的研究者的发言进行总结,然后我将宣布谁赢得了胜利。

贝叶斯大脑理论支持方

来自麻省理工学院大脑和认知科学项目的Joshua Tenenbaum试图通过「反向工程」理解人类心智,并试图在计算机中复制心智的性能表现。正如他在自己的个人页面上解释的那样:「让机器学习算法更接近人类的学习能力可以带来更强大的人工智能系统,以及更强大的理解人类认知的理论范式。」

在本次纽约大学的会议上,Tenenbaum提醒说我们即使在婴儿时期就已经非常聪明了。如果我们看到了一个积木塔,我们马上就知道这个积木塔是否稳定、是否有可能倒掉。我们可以很快地识别人脸,并且还能够根据表情推测人们的感受。另外在很多情形下,我们都能很快地从具体事实中得出有助于我们理解新事实和新情形的概括。

Tenenbaum表示,比起其它人工智能方法,贝叶斯程序能够更好地掌握以上乃至更多的认知方法。尤其是从稀疏模糊的数据中提取知识时,贝叶斯程序更是特别有效。

这次会议之后不久,《纽约时报》称赞Tenenbaum及其两位同事在一个贝叶斯程序上的研究是「可与人类能力匹敌」。该程序能够识别多种不同种类字母的手写字体,其中包括希腊语和梵语字母。此外,该程序还能生成可以通过「视觉图灵测试」的新字符,即人类无法区分由该贝叶斯程序生成的字符和人手写的字符。

Tenenbaum及其合作者在《科学》上宣称其模型「获得了」人类的「行动、想象、解释和创造性归纳」的能力。该程序的性能表现比非贝叶斯方法强大许多,甚至胜过备受吹捧的从大量数据中筛选提取知识的「深度学习」方法。(欲了解该研究的详细情况,请点击这里。)

在接受《时代》科技记者John Markoff采访时,Tenenbaum强调了这项研究对理解人类认知的意义:「机器学习取得了非常多的进展,你可以用大量数据和更快速的计算机做很多惊人的事……但看看小孩子,他们却可以从很少的数据中进行学习,这也同样让人惊叹。一些来自于先前掌握的知识,一些则内置于我们的大脑中。」

贝叶斯大脑理论反对方

Tenenbaum像一位父亲一样在纽约大学赞美贝叶斯程序;在会议主持人Chalmers多次提醒他超出了时间限制后,他才离开讲台。Tenenbaum最后也稍微调和了一下他的热情。尽管他依然坚持在构建认知模型上贝叶斯定理的优越性,但他也承认光有贝叶斯也可能是「不够的」,也可能需要其它方法的补充。

但接下来上台发言的Jeffrey Bowers却表示,贝叶斯模型不仅是不够的,而且可能还是不必要的。和Tenenbaum发言的激情洋溢不一样,Bowers的发言带着一丝隐约的悲哀,就好像他带来讨厌的坏消息一样。

在我之前的一篇文章中,我提到贝叶斯定理让我想起了进化论,两者在提供了深刻见解的同时都产出了一些无稽之谈。来自英国布里斯托尔大学的心理学家Bowers也做了类似的类比。

他的发言重申了他在2012年与人合著的论文《贝叶斯在心理学和神经科学中的如此故事》中提出的观点,生物学家Stephen Jay Gould曾吐槽了这篇论文中描述的那些单一而独特的生物性状的进化推理。Gould表示这些解释和编故事解释豹子斑点与骆驼驼峰的形成的《如此故事》是一个档次的。

同样地,Bowers表示只要对前期假设和输入进行调整,贝叶斯模型几乎可以复制任何认知任务。其高度的灵活性使其难以被证伪,类似于进化心理学对人类特征所提供的解释。

Bowers表示,如果这样的类比有何不妥,那就是贝叶斯和达尔文理论的对比对后者是不公平的。究其根本,进化心理学只是为我们的非理性提供了一个合理的推测:或许源于我们有意识的欲望和自私的基因产生的冲动之间的冲突,或源于现代环境和智人出现时的坏境的不匹配。

Bowers说,从达尔文主义的角度来看,这也与贝叶斯理论所宣称的大脑采用高效、甚至「最优」方法完成认知任务的主张背道而驰。自然选择将原来已经存在的生物学特征糅杂成了我们的大脑,最终也只是让它们「足够好用」,而不是最优。

其它一些信息处理模型(比如神经网络)也可以复制贝叶斯模型的结果,Bowers补充说,而神经科学也不支持或很少赞同神经元能进行贝叶斯式信息处理的想法。

Bowers最后做了一个具有讽刺意味的总结。他建议对贝叶斯大脑假设进行贝叶斯分析,然后就能看到这一假设有多么脆弱,贝叶斯理论支持者又多么容易受到偏见的影响。

正如我在之前的文章中提到的那样,贝叶斯定理意味着在严格考虑过证据的所有可选解释之前,你都不能确定你的假设。贝叶斯大脑支持者往往不听从这一意见,Bowers在会上说。

谁说得对?

那么,谁赢得了这场关于贝叶斯大脑的辩论呢?恐怕上面的内容已经暴露了我的倾向——我赞同Bowers的想法,对贝叶斯大脑表示怀疑。过去几十年我在大脑和心智上的研究让我对所谓的重大突破有很大的怀疑。

事实上,贝叶斯大脑理论可以归结成一个可疑的三段论:我们的大脑擅长某些任务;贝叶斯程序也擅长类似的任务;因此我们的大脑使用了贝叶斯程序。

这样的逻辑存在明显的限制。举个例子,游隼擅长飞行,F15战机也擅长飞行,但没人因此总结说游隼也采用了喷射式的推进方式,因为任何傻瓜都能看出游隼的飞行机制和喷射推进没有任何关系。当然我们的大脑与贝叶斯机器之间的对比看起来并没有那么愚蠢,但那也不过是因为我们现在还并不真正了解我们的认知机制。

在我上一篇文章末尾,我用埃德加•爱伦•坡写的内容警告了这种贝叶斯式推理的危险——最近我碰巧在重读他的作品。而在写这篇文章的过程中,我又遇到了另一段比较合适引用的内容。

这涉及到贝叶斯大脑的一个关键假设:人类在目标的选择和追求上是非常理性的。爱伦•坡曾抱怨说心智理论家们往往基于「心智应该做什么」作出猜测,而不是考察「心智做了什么」。用「上帝」代替「自然选择」,爱伦•坡的愤怒正好可以作为纽约大学这次会议的总结:

让智能或逻辑的人,而不是理解和敏锐的人,自己来想象设计——以控制上帝的意图。他很满意耶和华的意图是如此的深不可测,正是出于这些意图,他建造了无数的心智系统……如果建立在人类通常或偶然做的和经常偶然做的事情的基础上,而不是在我们认为理所当然的神想要他去做基础上,那它本可以更聪明,它本可以更加安全地进行分类(如果我们必须分类的话)。

爱伦•坡的粉丝应该知道这段话出自《乖戾之魔》,这篇文章戏剧化地描述了人类心智可以多么的非理性。如果这个「魔」在诱惑你相信贝叶斯大脑,就再读一下爱伦•坡的令人不安的故事吧。

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