第二节 认知神经科学的基本理论

对认知功能的脑机制，从不同学科出发形成了五大理论体系，本节分别加以介绍。

一、物理符号论、信息加工学说和特征检测理论

物理符号论是人工智能研究中形成的认知科学理论，信息加工学说是认知心理学中的基本理论，特征检测理论是神经生理学发展中出现的理论学说，三个领域的理论一脉相通。20世纪50年代计算机科学和人工智能诞生不久，就试图把人类的智能用物理符号加以表达，再转化为机器语言的编程，以便在机器运行这些程序中实现人工智能。心理学家以产生式原理用“如果……那么……”的符号形式，表达了人类解决问题的思维过程；而逻辑学家用数理逻辑符号表达了人类的认知过程，两者分别形成了人工智能的心理学派和逻辑学派；认知心理学家们则吸收物理符号论的原理，把人类认知活动视为信息加工过程。

20世纪上半叶，在心理学中占主导地位的理论是行为主义，它注重刺激和其引起的行为反应，而忽略了人们头脑中的心理过程。当时实验心理学也主要是研究简单的感觉、运动和记忆等心理过程。20世纪50年代末，计算机科学和信息科学的迅速发展，特别是在1956年，以Simon和Newell为先导的人工智能领域的形成，以及Chomsky为代表的心理语言学的诞生，都极大地促进了心理学的变革。所以，在50年代末就形成了利用信息加工的概念，改造传统心理学的发展趋势，形成认知主义的理论思潮。1967年，Neisser出版了名为《认知心理学》的专著，标志认知心理学的确立。这本专著将认知心理学划分为视认知、听认知和记忆、思维高层次心理过程等三大部分。随后，传统实验心理学也采用信息加工的理论观点，研究感觉、运动、记忆、知觉等心理过程。高层次心理过程的研究，如概念形成、问题解决、语言运用等，也在信息加工理论下迅速开展起来。到20世纪80年代，完整的认知心理学体系已经建成。Simon把认知心理学看成是认知科学第一个重要组成学科，然后才是人工智能学、语言学、哲学、神经科学等。认知心理学与认知科学在理论和方法学上有许多共同之处，其差别仅在于认知心理学以人类认知过程为研究对象，而认知科学面对各种智能系统（人、动物和机器等智能系统）。

认知心理学认为，人类认知过程的本质就是信息加工过程，那么，什么是信息？计算机处理的信息是数据和文本，是来自外部输入的离散的物理符号。人类认知过程的信息加工则是对内外刺激的决策与选择所得到的内部表征。因此，人类认知加工的信息寓于认知主体之中，经过四十多年的研究，认知心理学发现人类认知活动所加工的信息相当复杂，并不能简单地使用信息“熵”进行计算。人类认知加工的信息有许多特性：可描述性、层次性、方向性、阶段性和实体包容性。

认知心理学在认知过程研究中，经常使用信息加工的名词，形成了两类加工过程的基本概念，即自动加工过程和控制加工过程。与此相应，还提出信息加工时序性、心理资源有限性和心理资源分配的概念。这些基本概念都是通过知觉、注意和短时记忆的研究，针对反应时的变化和认知作业成绩的实验事实，提炼出来的。除了描写信息加工的性质之外，还在分析加工形式上使用了串行加工、并行加工、连续加工、离散加工、自下而上加工和自上而下的加工等基本概念。总之，认知心理学根据严格控制的实验设计，仅靠行为或操作数据，以上述基本概念为基础，对认知微结构进行推论或巧妙构思。

认知过程脑结构与功能基础问题由神经生理学家研究，提出了特征检测器和功能柱理论。在神经生理学领域中，20世纪50～80年代利用细胞微电极记录的方法，在视觉功能研究中，逐渐形成特征检测器和功能柱理论，为人工智能的物理符号论和信息加工的心理学理论提供了生理学基础。视觉生理心理学研究发现，在视网膜、外侧膝状体和大脑皮层中，都存在一些专门对线段、方位敏感的细胞，将它们称为特征检测器。随后在皮层上又发现对颜色进行选择性反应的颜色检测细胞。在大脑皮层上，对外界视野同一空间部位发生反应的这些不同特征检测细胞聚集在一起，形成垂直于皮层表面的柱状结构，称为功能柱，它是皮层功能和结构的基本单元。在视皮层内存在着许多视觉特征的功能柱，如颜色柱、眼优势柱和方位柱。利用细胞微电极技术和脱氧葡萄糖组织化学技术，可以证明一些功能柱的存在。方位柱不仅存在于初级视皮层（枕叶17区），也存在于次级视皮层中，它们对视觉刺激在视野中出现的位置和方向的特征进行提取。

尽管特征提取的功能柱理论可以很好地解释颜色、方位等某些视觉特征的生理基础，但外界千变万化的诸多视觉特征，是否都有与之相应的功能柱呢？这些都是特征提取功能柱理论所无法肯定回答的。然而，空间频率柱理论却试图对这种难题给出一种理论解释。

与上述特征提取的功能柱模型不同，视觉空间频率分析器理论则认为视皮层的神经元类似于傅里叶分析器，每个神经元敏感的空间频率不同，例如与视网膜中央区5度视角范围相对应的大脑皮层17区细胞和18区细胞之间敏感的空间频率显著不同，前者为0.3～2.2周/度，后者仅为0.1～0.5周/度。那么，什么是图像的空间频率呢？概括地说，每一种图像的基本特征在单位视角中重复出现的次数就是该特征的空间频率。例如：室内暖气设备的散热片映入人的眼内时，在单位视角中出现的片数就是它的空间频率。显然同一物体中某种特征出现的空间频率与其对人的距离和方位有关。当我们观察暖气片时，随着我们站的距离和方位不同，映入眼内单位视角中的片数就有差异。一般地说，由远移近地观察同一客体时，其空间频率变小；反之，则空间频率增大。像暖气片这种以相等距离规律性重复排列的景物，类似于周期性正弦波，更多的景物特征不规则排列形成的图形可以用傅里叶分析，将其分解为许多空间频率不同的正弦波式的规则图案，由不同的皮层神经元按其发生最大反应的频率不同，分成许多功能柱，称为空间频率柱。空间频率柱成为人类视觉的基本功能单位，对复杂景物各种特征的空间频率进行着并行处理和译码，是视觉的基本生理心理学基础。

综上所述，人工智能中的物理符号论，认知心理学中的信息加工学说和神经生理学中的特征检测与功能柱理论，大体都始于五六十年代，在80年代初达鼎盛期，其中特征检测器和功能柱理论代表人物Hubel和Wiesel于1981年获诺贝尔生理学或医学奖。人工智能创始人之一Simon于1986年获美国总统颁发的美国国家科学奖。

二、联结理论、并行分布处理和群编码理论

与人工智能中离散物理符号论不同，联结理论始于20世纪40～60年代的人工神经网络研究，在沉寂了近20年之后于80年代中期再度兴起。这一理论认为，认知活动本质在于神经元间联结强度不断发生的动态变换，它对信息进行着并行分布式处理，这种联结与处理是连续变化的模拟计算，不同于人工智能中离散物理符号的计算，因而又称为亚符号微推理过程。这种连续模拟计算的基础就形成了一定数量神经元的并行分布式群编码。由此可见，认知心理学从人工神经元间群编码的理论中吸收其信息加工的并行分布式处理的概念，神经生理学则吸收了神经元群编码的理论概念，遂使三个领域一脉相通，在神经元活动的时空构型中找出认知活动的神经基础。这里值得指出的是，在20世纪末，心理学取得的重大研究进展就是内隐认知过程的实验分析，包括内隐知觉、内隐学习、内隐记忆和内隐思维等。这些无意识的自动加工过程似乎是以并行分布式的连续计算为基础的；外显的有意识的认知活动是以控制性加工过程以及离散物理符号表征为主。

三、模块论或多功能系统论

受到计算机编程和硬件模块的启发，Fodor（1983）提出认知的模块性（modularity），认为人脑在结构与功能上都是由高度专门化并相对独立的模块（module）组成，这些模块复杂而巧妙地结合，是实现复杂精细认知功能的基础。20世纪80～90年代，模块思想已发展为多功能系统理论，特别是在记忆研究中取得了较多科学发现的支持。

四、基于环境的生态现实理论

1993年初在认知科学杂志上掀起环境作用与物理符号理论的大论战，一批年轻的心理学家与人工智能物理符号理论大师Simon之间展开了大论战。20世纪50年代以后，认知科学家们一直把认知过程看成是发生在每个人头脑或智能系统内部的信息加工过程。而环境作用（situated action）的观点则认为认知决定于环境，发生在个体与环境交互作用之中，而不是简单发生在每个人的头脑之中。1994年，Gibson的理论在美欧复兴。1979年之前，美国心理学家J.J.Gibson出版了几本专著：《视觉世界的知觉》、《生态光学》和《视知觉的生态理论》等，认为生物演化中外界环境为生物机体提供了足够的信息，使之直接产生知觉，故而将生物机体的知觉看成是直接的不变性知觉，不需要对环境中诸多物理特性逐一检测。脑功能区、模块的分化、细胞发育和生物化学与生物物理机制的发展，无不与生态环境变迁有关。

五、机能定位论

1861年Broca医生发现运动性失语症，是左额下回后1/3的脑结构受损所致，使脑的机能定位理论指导了当时对脑高级功能的研究。以后的近百年之间，通过解剖学和生理学方法，试图为每一种高级功能在脑内找到一个中枢，或一种特异的细胞。到20世纪80年代前后，曾以半讽刺的方式，否定了祖母细胞（grandmother cell）是识别熟悉面孔的特异细胞。如今，时隔几十年，古老的机能定位论，由于有了无创性脑成像技术，再度复兴。用脑激活区作为机能定位的客观指标，用细胞电生理方法和脑成像相结合的途径，21世纪之初确定了额、顶、颞叶皮层中有一种镜像细胞（mirror neuron），是人类社会交往的脑科学基础。因此科学的发展走了一条否定之否定的螺旋式发展道路。随着科学的发展镜像细胞是否会被否定，有待后人评说。

综上所述，当代认知神经科学在阐明认知过程的脑机制中，存在多元化的理论观点，可以分别用于分析不同层次机制，它们之间并无根本对立或排他性。但有些理论观点则很难相容，例如，神经元理论中特化细胞与群编码观点就各有自己的实验事实依据。因此，如何建立统一的认知神经科学理论是认知神经科学发展的重大问题。