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Bayesian公式:破解思想的钥匙

已有 19318 次阅读 2013-2-26 20:16 |系统分类:科研笔记| 认知, Bayesian

Bayesian公式不仅能够诠释我们这个世界,还能够描述我们的思想活动,它带给我们的是关于人类思想的新理伦!
“我们每个人大脑里都有一个小Thomas Bayes!”法兰西学院实验心理学教授Stanislas Dehaene总把这句话挂在嘴边。Dehaene于2012年在法兰西学院开设了一门题为“认知科学的Bayesian革命”(The Statistician Brain: the Bayesian Revolution in Cognitive Science)的课程。鉴于该主题的重要性,Dehaene最终决定把课程时间定为两年。对于这个决定,Dehaene解释道:“称其为一种‘革命’,是因为出现了一种能够突然渗透到一切科学领域中的理论体系,着实让人惊讶。过去,我们很多人认为大脑是自然进化的产物,并处于不断演变之中,不可能存在关于认知的一般性理论。然而,当Bayesian统计学展示出它超常的适用性后,这一观点开始动摇了。”这也是他这门课程的开课引言。

Bayesian方法不仅在自然科学领域掀起了革命,它的应用范围还不断延伸到人类行为,以及人类大脑活动的各种研究领域中。事实上,无论是心理学家还是神经学家都认识到,Bayesian方法是他们期待已久的用来描述研究对象的有效工具!科学家们甚至开始期望它能够建立起关于大脑各个层次上的结构模型,直到最基本的单位:神经元。最终,这样一个小小的公式就可以将数以百计的描述大脑活动的模型整合,生成一个关于“整个思想” + 的理论的革命。

这个神奇的公式表面看起来和心理学并无相关,但就像Dehaene告诉学生们的, “Bayesian公式虽然是数学,但它是诠释的是关于思考的数学。”在它抽象的外表之下,展现的是一个典型的类似于人类大脑的机制:在缺少数据和信息的情况下,不遗余力地追寻表面现象背后的本质原因。它不间断地对我们的已有知识(或预设)去伪存真,是一个实实在在的思考机器。这正是认知科学专家正在做的,我们可以用这一公式来描述人类的思想。

法兰西学院感知与运动心理学实验室统计学家Pierre Bessiere介绍道:“起初,心理学家用Bayesian公式检验他们的实验结果。很快,他们就发现它对于描述他们所观测的现象十分有效:如果把大脑当做一个Bayesian网络,不就可以了解它的所有运转机制了么。”于是,Bayesian公式也就从计算工具演变为人类行为模型。而研究成果接踵而至,涉及许多人类的认知机制:形态识别、运动控制、语言识别、学习等等。众多实验已经表明,思想就是Bayesian公式支配下的统计运算。图卢兹大学心理学家Chloe Farrer和她的团队正在证明Bayesian公式可以为各种认知形态建立模型。一年前,Farrer和她的研究团队对许多志愿者进行了一次实验,测试他们是否能够根据预设来预测视频中正在移动矩形物体的人的下一个动作:“我们为参与者展示了许多不同的视频,但大部分展示同一个动作,比如说搬起一个物体。然后,我们向他们播放测试影片,请他们预测裁剪过的视频片段后面会发生什么。”最后,Farrer发现,如果测试影片中信息不完整,志愿者会根据预设将其补充完整(比如视频太短无法判断,而他们又恰好在之前的多段视频中看到抬起物体的场景,他们就会判断测试视频中的人物也会将物体抬起)。总之,科学家已经证明,我们大脑在没有足够信息时的推理方式完全就是Bayesian模式,它不断根据最新获取的信息来重建整个世界。

Farrer坦言“结果并无悬念,不值一提。但要知道在此之前,我们还从未如此彻底地证明大脑具备根据记忆、结合即时的感官信息建模预测未来事件发生概率的能力。”这一能力从小就很发达。婴儿从8个月起,其大脑就开始构建Bayesian网络,将来自感官的观测信息纳入其中,精确地计算现象某个成因的成立概率。匈牙利布达佩斯大学认知发展研究中心的心理学家Emo Tegla于2011年指出,一岁的婴儿就能进行统计计算,并根据情景的演化不断调整,预判实验围栏内滚出的小球颜色。而美国加州大学伯克利分校心理学家Alison Copnik早在2004年就证明Bayesian统计法是儿童运用的唯一思考方法,其他方法他们似乎完全不会!

Copnik设计了一个实验:向4岁的幼儿展示一个绒毛玩具猴,并告诉他们有些花会让它打喷嚏。实验第一阶段,研究人员先将黄花和红花放到猴子面前,再将黄花和紫花放到猴子面前,小孩们都会看到猴子打喷嚏;而当猴子靠近红花和紫花时它就不会打喷嚏。当问他们是为什么时,孩子们全都准确地说出是黄花导致了猴子打喷嚏。“传统概率学只能让他们判断出猴子在黄花旁打喷嚏的可能性为100%,而在红花或紫花旁打喷嚏的可能性为50%。” Copnik解说道,“只有Bayesian公式可以找到现象的原因并给出正确的回答。”毋庸置疑,传统统计法看似更“自然”,却在此毫无用处,儿童的本能反应是使用Bayesian算法来思考。

这位科学家又对另一些孩子进行了测试。这次,孩子们看到猴子会在黄色花前打喷嚏,而面对紫花或红花,只有有一半的情况下会打喷嚏。“从传统概率法则角度看,这个实验和上一个十分相似,因为事件出现频率是一样的:猴子每次都在黄花前打喷嚏,而有一半的时间在红花和紫花前打喷嚏。”Copnik解释道,“根据Bayesian推理法,我们得不出结论,因为每个事件都是孤立的。”孩子们应该别无选择,只能求助于传统方式。然而,他们开始瞎猜了!他们随机指认黄花、红花或紫花。Copnik总结说:“他们无法通过推理找到引发喷嚏的花,这证明,即便依靠频率计算的传统统计法是唯一解决问题的方武,他们也不会用到它。”

Bayesian公式在心理学领域取得的成功使得科学家思考人类的大脑结构本身是否就是一个Bayesian网络。这一公式或许不只是用来研究人类思维的工具,它可能就是大脑本身的内在构建方式,换句话说,我们的各级大脑灰质可能都是按Bayesian公式连接形成的网络。这一观点十分大胆,但获得了越来越多广泛的认可。因为Bayesian公式是我们在没有充分或准确的信息时最优的推理结构,所以为了提高生存效率,进化会向这一模式演进。“这就是优化选择原理。”巴黎高等师范学院神经学家Sophie Deneve指出,“神经系统在一个复杂的世界中生存、进化,接收到的信号中掺杂着许多干扰信息,所以必须进行模糊判断,以最优方式来处理不确定性。‘自然选择’总会进化出最高效的生物结构。”Bayesian概率预测系统拥有众多优势,它可以让我们在纷繁复杂的感官信息中识别出最关键的信息,甚至通过预测让我们在还没有接收到感官信息之前作出反应。Stanislas Dehaene补充道,“借助这一预测系统,大脑可在处理感官信息时,采取区别化策略。大脑在即时感官信息与预设之间持续地进行比较,只会传递那些没能预见到的信息,或者说是一些匹配失败的信息,而不是整个信息流。”上世纪80年代,机器人专家就已经理解了这一原理:设计一个能够细腻地与周围环境互动的智能机器人的最好方式,是为其设定一套通过Bayesian计算来进行控制的电脑程序。

许多科学家正在努力,通过感官刺激与磁共振成像,寻找大脑深处Bayesian式思考的痕迹,而他们已经观察到了某些信号。2011年,美国卡内基梅隆大学的一个研究团队观察到神经元能在感知到现象之前释放电信号,仅仅因为大脑正对将要发生的事件进行预测。他们在大脑内部观察到,神经所传送的并不是来自感官的信息,而是概率计算。他们看到的是神经元正在依据Bayesian统计法进行预测活动。还有!美国罗切斯特大学的神经学Alexandre Pouger的研究团队、麻省理工学院的Joshua Tenenhaum的团队,以及伦敦大学学Karl Friston的团队都发现,大脑皮层似乎完全就是为了实现概率计算而构建的。他们的计算表明,大脑外周皮层的神经元网络会根据储存信息和获得的外部信息进行概率计算,而后将计算结果传递给大脑的更高层级。这些科学家甚至认为已经找到大脑中Bayesian计算的基本单元,他们称之为“规范回路”(canonical circuit),这是在整个大脑皮层中反复出现的一些神经元微结构。从一层到另一层,整个大脑就是一个Bayesian网络金字塔,而塔尖就是我们的思想!一切我们接触到的、听到的、感觉到的,都及时地通过大脑皮层转化为Bayesian概率。整个世界就是大脑根据感知到的信息,不断计算出的概率的集合,一个被这个18世纪发现的伟大公式所支配的巨大的数据库!

甚至有一部分物理学家都接受了这一革命性观点!为了描述构成物质的最基本单元,他们也在研究中遇到了这个神奇公式。和大脑专家一样,他们也想看看能不能通过这一公式,为物质在最微观尺度上的奇异表现找到解释。或许会有一个爆炸性的结果在等着我们:支配所有信息和知识的Bayesian公式破解量子物理的奥秘,甚至让这一研究对象脱离物理学领域,成为认知科学研究的一部分!

尽管科学家才刚刚开始这场革命,但成形中的Bayesian认知理论已经展现出它的应用前景。“我们希望能就某些精神疾病发现有用线索。”Chloe Farrer介绍道。他们的想法是全面掌握支配大脑活动的各种机制,以更好地理解其运行中出现的问题。克洛伊·法瑞已经开始了研究,对象是一些精神分裂症患者。“前期成果表明患者将过多的注意力放在感官信息上。感觉经验与既有知识之间缺少互相校准,难以找到事物背后的原因……” Farrer透露。而尤其使研究人员动力十足的,是将所有大脑机制和一切行为现象统一在同一个理论体系之内的远景。Stanislas Dehaene激动地说道: “我们盼望能够回答认知科学中最为紧迫的问题,尤其是理解大脑是如何形成其特有的高级抽象规则的,如语言。”过去在统计学领域毫不起眼的Bayesian公式终于修成正果。在解密我们思想的同时,它也将揭开人类的终极秘密。不得不承认,这是一个神奇的公式…… “电脑能在国际象棋比赛中战胜人类。但就移动棋盘上棋子的能力而言,它只比得上5岁的小孩!” Pierre Bessiere一针见血地指出了机器人面临的巨大难题:它们缺乏和真实世界进行交流的物理手段。而借助Bayesian公式,它们正在克服遮一困难。因为Bayesian公式的优点在于:传统程序只能在传感器接收到清晰的信号时才能够进行物品的识别,它们只能对检测信号与数据库中储存的物体信息是否匹配进行“是”与“否”的判断;而Bayesian智能系统则可以处理传感器“感知”到的任意信息,并将其与数据库中的所有信息进行关联比对,为每一种关联求得一个概率值,概率值越大就越匹配。这样就可以识别并躲避意外的障碍,在光线很弱的状况下识别物体,或者识别数据库中未记录特征的物体。不久前,一个加利福利亚的研究究团队正是借助该智能系统,成功地研制出了一个比人类手指更为灵敏的机械指。

“Bayesian公式是可以支配一切知识,一切信息的法则!”这并不是一个神经学家的心声,而是加拿大普里美特理论物理研究所Christoph Fuchs的评价,他的身份是量子物理学家!事实上,和他们认知科学领域的同行一样,一些物理学家也惊呼这是一场革命。他们认为Bayesian统计法也将成为解决该学科一切难题的钥匙。

近一个世纪以来,物理学家不断深入微观领域,发现了量子物理定律。它们的有效性无可置疑,科学家从此不得不承认那些曾经认为不可能的现象:光同时以波和粒子的形式存在;一个电子可以同时出现在两个位置;一个粒子存在的状态只能用概率的形式描述,简而言之,为了能够准确地描述电子、光子和其他粒子的运动,物理学成了一片“概率”云。大部分物理学家不愿理会这个根本性的“顽疾”,但有一部分人提出用更极端的方式来解决它:不再将量子物理看作是对物质本身的描述,而仅仅是对我们所知的描述。在Christoph Fuchs和加利福尼亚大学的John Baez、新墨西哥州立大学的Carlton Caves看来,物理学或许已经迷失了方向。不知不觉中,物理学变成了只是对观测者掌握信息状态的描述,透露出观测者对信息本身的无知。我们之所以看到粒子运动怪诞离奇.只是因为我们无法掌握相关信息的全貌(当我们说某个粒子在此处出现的概率为36%.而在彼处出现的概率为64%时,这只是因为我们缺乏关于它确切位置的信息)。这完全就是Bayesian统计!

Fuchs通过对公式的逐一比较,在量子物理和Bayesian统计之间发现了许多不寻常的相似之处,从而证明在这两种理论中存在着部分关联!也就是说,物质的基本定律很自然地来自Bayesian公式。这个18世纪的简单公式在量子物理中支配的不是物质,而是信息,即存在于具象和抽象、物体与理念之间的媒介形式。所有我们认为的现实都仅仅是Bayesian公式支配下的二进制数列!这种突破传统物理学“现实”和“客观”底线的理论令人震惊。它向我们揭示,我们对于身边物质世界的理解最终是建立在主观和虚拟Z上。Bayesian公式又一次冲击了我们的认知。

改编自《新发现》2013年第二期“破解思想的钥匙”一本


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