第二節 認知神經科學的基本理論

對認知功能的腦機制，從不同學科出發形成了五大理論體系，本節分別加以介紹。

一、物理符號論、信息加工學說和特征檢測理論

物理符號論是人工智能研究中形成的認知科學理論，信息加工學說是認知心理學中的基本理論，特征檢測理論是神經生理學發展中出現的理論學說，三個領域的理論一脈相通。20世紀50年代計算機科學和人工智能誕生不久，就試圖把人類的智能用物理符號加以表達，再轉化為機器語言的編程，以便在機器運行這些程序中實現人工智能。心理學家以產生式原理用“如果……那么……”的符號形式，表達了人類解決問題的思維過程；而邏輯學家用數理邏輯符號表達了人類的認知過程，兩者分別形成了人工智能的心理學派和邏輯學派；認知心理學家們則吸收物理符號論的原理，把人類認知活動視為信息加工過程。

20世紀上半葉，在心理學中占主導地位的理論是行為主義，它注重刺激和其引起的行為反應，而忽略了人們頭腦中的心理過程。當時實驗心理學也主要是研究簡單的感覺、運動和記憶等心理過程。20世紀50年代末，計算機科學和信息科學的迅速發展，特別是在1956年，以Simon和Newell為先導的人工智能領域的形成，以及Chomsky為代表的心理語言學的誕生，都極大地促進了心理學的變革。所以，在50年代末就形成了利用信息加工的概念，改造傳統心理學的發展趨勢，形成認知主義的理論思潮。1967年，Neisser出版了名為《認知心理學》的專著，標志認知心理學的確立。這本專著將認知心理學劃分為視認知、聽認知和記憶、思維高層次心理過程等三大部分。隨后，傳統實驗心理學也采用信息加工的理論觀點，研究感覺、運動、記憶、知覺等心理過程。高層次心理過程的研究，如概念形成、問題解決、語言運用等，也在信息加工理論下迅速開展起來。到20世紀80年代，完整的認知心理學體系已經建成。Simon把認知心理學看成是認知科學第一個重要組成學科，然后才是人工智能學、語言學、哲學、神經科學等。認知心理學與認知科學在理論和方法學上有許多共同之處，其差別僅在于認知心理學以人類認知過程為研究對象，而認知科學面對各種智能系統（人、動物和機器等智能系統）。

認知心理學認為，人類認知過程的本質就是信息加工過程，那么，什么是信息？計算機處理的信息是數據和文本，是來自外部輸入的離散的物理符號。人類認知過程的信息加工則是對內外刺激的決策與選擇所得到的內部表征。因此，人類認知加工的信息寓于認知主體之中，經過四十多年的研究，認知心理學發現人類認知活動所加工的信息相當復雜，并不能簡單地使用信息“熵”進行計算。人類認知加工的信息有許多特性：可描述性、層次性、方向性、階段性和實體包容性。

認知心理學在認知過程研究中，經常使用信息加工的名詞，形成了兩類加工過程的基本概念，即自動加工過程和控制加工過程。與此相應，還提出信息加工時序性、心理資源有限性和心理資源分配的概念。這些基本概念都是通過知覺、注意和短時記憶的研究，針對反應時的變化和認知作業成績的實驗事實，提煉出來的。除了描寫信息加工的性質之外，還在分析加工形式上使用了串行加工、并行加工、連續加工、離散加工、自下而上加工和自上而下的加工等基本概念。總之，認知心理學根據嚴格控制的實驗設計，僅靠行為或操作數據，以上述基本概念為基礎，對認知微結構進行推論或巧妙構思。

認知過程腦結構與功能基礎問題由神經生理學家研究，提出了特征檢測器和功能柱理論。在神經生理學領域中，20世紀50～80年代利用細胞微電極記錄的方法，在視覺功能研究中，逐漸形成特征檢測器和功能柱理論，為人工智能的物理符號論和信息加工的心理學理論提供了生理學基礎。視覺生理心理學研究發現，在視網膜、外側膝狀體和大腦皮層中，都存在一些專門對線段、方位敏感的細胞，將它們稱為特征檢測器。隨后在皮層上又發現對顏色進行選擇性反應的顏色檢測細胞。在大腦皮層上，對外界視野同一空間部位發生反應的這些不同特征檢測細胞聚集在一起，形成垂直于皮層表面的柱狀結構，稱為功能柱，它是皮層功能和結構的基本單元。在視皮層內存在著許多視覺特征的功能柱，如顏色柱、眼優勢柱和方位柱。利用細胞微電極技術和脫氧葡萄糖組織化學技術，可以證明一些功能柱的存在。方位柱不僅存在于初級視皮層（枕葉17區），也存在于次級視皮層中，它們對視覺刺激在視野中出現的位置和方向的特征進行提取。

盡管特征提取的功能柱理論可以很好地解釋顏色、方位等某些視覺特征的生理基礎，但外界千變萬化的諸多視覺特征，是否都有與之相應的功能柱呢？這些都是特征提取功能柱理論所無法肯定回答的。然而，空間頻率柱理論卻試圖對這種難題給出一種理論解釋。

與上述特征提取的功能柱模型不同，視覺空間頻率分析器理論則認為視皮層的神經元類似于傅里葉分析器，每個神經元敏感的空間頻率不同，例如與視網膜中央區5度視角范圍相對應的大腦皮層17區細胞和18區細胞之間敏感的空間頻率顯著不同，前者為0.3～2.2周/度，后者僅為0.1～0.5周/度。那么，什么是圖像的空間頻率呢？概括地說，每一種圖像的基本特征在單位視角中重復出現的次數就是該特征的空間頻率。例如：室內暖氣設備的散熱片映入人的眼內時，在單位視角中出現的片數就是它的空間頻率。顯然同一物體中某種特征出現的空間頻率與其對人的距離和方位有關。當我們觀察暖氣片時，隨著我們站的距離和方位不同，映入眼內單位視角中的片數就有差異。一般地說，由遠移近地觀察同一客體時，其空間頻率變??；反之，則空間頻率增大。像暖氣片這種以相等距離規律性重復排列的景物，類似于周期性正弦波，更多的景物特征不規則排列形成的圖形可以用傅里葉分析，將其分解為許多空間頻率不同的正弦波式的規則圖案，由不同的皮層神經元按其發生最大反應的頻率不同，分成許多功能柱，稱為空間頻率柱?？臻g頻率柱成為人類視覺的基本功能單位，對復雜景物各種特征的空間頻率進行著并行處理和譯碼，是視覺的基本生理心理學基礎。

綜上所述，人工智能中的物理符號論，認知心理學中的信息加工學說和神經生理學中的特征檢測與功能柱理論，大體都始于五六十年代，在80年代初達鼎盛期，其中特征檢測器和功能柱理論代表人物Hubel和Wiesel于1981年獲諾貝爾生理學或醫學獎。人工智能創始人之一Simon于1986年獲美國總統頒發的美國國家科學獎。

二、聯結理論、并行分布處理和群編碼理論

與人工智能中離散物理符號論不同，聯結理論始于20世紀40～60年代的人工神經網絡研究，在沉寂了近20年之后于80年代中期再度興起。這一理論認為，認知活動本質在于神經元間聯結強度不斷發生的動態變換，它對信息進行著并行分布式處理，這種聯結與處理是連續變化的模擬計算，不同于人工智能中離散物理符號的計算，因而又稱為亞符號微推理過程。這種連續模擬計算的基礎就形成了一定數量神經元的并行分布式群編碼。由此可見，認知心理學從人工神經元間群編碼的理論中吸收其信息加工的并行分布式處理的概念，神經生理學則吸收了神經元群編碼的理論概念，遂使三個領域一脈相通，在神經元活動的時空構型中找出認知活動的神經基礎。這里值得指出的是，在20世紀末，心理學取得的重大研究進展就是內隱認知過程的實驗分析，包括內隱知覺、內隱學習、內隱記憶和內隱思維等。這些無意識的自動加工過程似乎是以并行分布式的連續計算為基礎的；外顯的有意識的認知活動是以控制性加工過程以及離散物理符號表征為主。

三、模塊論或多功能系統論

受到計算機編程和硬件模塊的啟發，Fodor（1983）提出認知的模塊性（modularity），認為人腦在結構與功能上都是由高度專門化并相對獨立的模塊（module）組成，這些模塊復雜而巧妙地結合，是實現復雜精細認知功能的基礎。20世紀80～90年代，模塊思想已發展為多功能系統理論，特別是在記憶研究中取得了較多科學發現的支持。

四、基于環境的生態現實理論

1993年初在認知科學雜志上掀起環境作用與物理符號理論的大論戰，一批年輕的心理學家與人工智能物理符號理論大師Simon之間展開了大論戰。20世紀50年代以后，認知科學家們一直把認知過程看成是發生在每個人頭腦或智能系統內部的信息加工過程。而環境作用（situated action）的觀點則認為認知決定于環境，發生在個體與環境交互作用之中，而不是簡單發生在每個人的頭腦之中。1994年，Gibson的理論在美歐復興。1979年之前，美國心理學家J.J.Gibson出版了幾本專著：《視覺世界的知覺》、《生態光學》和《視知覺的生態理論》等，認為生物演化中外界環境為生物機體提供了足夠的信息，使之直接產生知覺，故而將生物機體的知覺看成是直接的不變性知覺，不需要對環境中諸多物理特性逐一檢測。腦功能區、模塊的分化、細胞發育和生物化學與生物物理機制的發展，無不與生態環境變遷有關。

五、機能定位論

1861年Broca醫生發現運動性失語癥，是左額下回后1/3的腦結構受損所致，使腦的機能定位理論指導了當時對腦高級功能的研究。以后的近百年之間，通過解剖學和生理學方法，試圖為每一種高級功能在腦內找到一個中樞，或一種特異的細胞。到20世紀80年代前后，曾以半諷刺的方式，否定了祖母細胞（grandmother cell）是識別熟悉面孔的特異細胞。如今，時隔幾十年，古老的機能定位論，由于有了無創性腦成像技術，再度復興。用腦激活區作為機能定位的客觀指標，用細胞電生理方法和腦成像相結合的途徑，21世紀之初確定了額、頂、顳葉皮層中有一種鏡像細胞（mirror neuron），是人類社會交往的腦科學基礎。因此科學的發展走了一條否定之否定的螺旋式發展道路。隨著科學的發展鏡像細胞是否會被否定，有待后人評說。

綜上所述，當代認知神經科學在闡明認知過程的腦機制中，存在多元化的理論觀點，可以分別用于分析不同層次機制，它們之間并無根本對立或排他性。但有些理論觀點則很難相容，例如，神經元理論中特化細胞與群編碼觀點就各有自己的實驗事實依據。因此，如何建立統一的認知神經科學理論是認知神經科學發展的重大問題。