《神经信息学》PPT课件.ppt

2019/5/20,1,神经信息学,意 识 史忠植 中科院计算,2019/5/20,2,意 识,意识的起源与本质是最重大的科学问题之一。在智能科学中，意识问题具有特别的挑战意义。存在如何决定意识，客观世界如何反映到主观世界中去，既是哲学研究的主题，也是当代自然科学研究的重要课题。意识涉及知觉、注意、记忆、表征、思维、语言等高级认知过程，其核心是觉知(awareness)。近年来，由于认知科学、神经科学和计算机科学的发展，特别是新的无损伤性实验技术的出现，意识的研究再度被提到日程上来，并且开始成为众多学科共同研究的热点。在21世纪，意识问题将是智能科学力图攻克的堡垒之一。,2019/5/20,3,意识理论,当代著名思想家丹尼特（D.C.Dennett）认为，“人类的意识大概是最后一个难解的谜。对意识，我们至今如坠五里云雾中，时至今日，意识是唯一常常使最睿智的思想家张口结舌、思维混乱的论题。”在人类已建立的众多概念与范畴体系中，意识是最为混乱的概念之一。在威廉卡尔文的大脑如何思维一书中，就列出了对意识的八种不同理解；在弗朗西斯克里克的惊人的假说-灵魂的科学探索中也介绍了三种基于“黑箱”方法的对意识的界定。国内心理学界与哲学界关于意识问题也发生过热烈的争论。综观国内外多年来在意识问题上的讨论，至今仍是众说纷纭，未能对意识的本质或定义得出一致的认识。,2019/5/20,4,意识的定义,法伯的意识定义 法伯（I.B.Farber）等人在其意识与神经科学-哲学与理论问题一文中，从三个层次讨论了意识概念: 第一个层次是“意识觉察” 包括感觉觉察、概括性觉察、元认知觉察和 有意识回忆等四种。 第二个层次是“较高级的官能” 不仅能被动地感知和觉察信息，还具有 注意、推理和自我控制等较高级的官 能(即还具有能动作用)。 第三个层次是“意识状态” 可理解为一个人正在进行的心理活动。,2019/5/20,5,意识理论,1、是一种自我感觉，例如处于内疚状态； 2、是能思想、有意愿或有感知觉的标志； 3、能感知、能理解或是在一定程度上能调控自己的思维； 4、在睡眠或昏迷状态下受到抑制的一种心智机能； 5、意识表现为经过深思熟虑以后的措施或行为； 6、意识的含义与“注意”或“考虑”相近； 7、意识表现为对某种事物的关注或兴趣； 8、意识以强烈的感情色彩或明确的想法为标志。,在威廉卡尔文的大脑如何思维一书中，对意识的八种不同理解：,2019/5/20,6,意识理论,1、并非大脑的全部活动都直接与意识有关； 2、意识过程有“注意”和“短时记忆”的参与； 3、意识中的信息既能进入长时情景记忆， 也能进入运动神经系统以控制随意运动。,在弗朗西斯克里克的惊人的假说灵魂的科学探索一书中基于“黑箱”方法的对意识的三种界定 ：,2019/5/20,7,意识的定义,1希尔斯特的意识定义 威廉希尔斯特（William Hirst）在其颇有影响的论文意识的认知层面中，把意识定义为：“人们对心理对象（如知觉、表象、或感受）的觉知”。 希尔斯特在用觉知这个词时，其含义包括能够用言语报告这种觉知。他认为“人们不仅能觉知到感觉、表象和感受，同时也能觉知到他们正在体验到它。他们知道他们自己正在看、正在想象和正在感受。任何意识活动都包括对外部世界和心理表象的觉知，还包括自我意识。”,2019/5/20,8,意识的定义,“意识是指大脑对认知、情感和意志等心理过程的觉知、调节或控制。” 其中，认知过程具体包括注意、感知、记忆、想象、分析、综合、抽象、概括、判断、推理等心理操作过程。,2019/5/20,9,有意识与无意识的判别标志工作记忆的内容,既然意识是人脑对时间逻辑思维和空间结构思维的觉察、调节或控制。要判断是否有意识产生，至少要能“觉察”出思维过程。任何思维过程都离不开四个要素：思维加工材料、思维加工方式、思维加工缓存区和思维加工机制。换言之，只要缺少其中任一要素，思维过程都将因难以进行而不能被觉察出来。因此，如果只是要判别是有意识或无意识即仅局限于觉察思维过程的话，问题就简单得多，因为要觉察出某种思维过程，并不需要去仔细分析四个要素中的每一个要素，只要抓住其中一个最简单又与觉察直接相关的要素就行了这个要素就是“工作记忆” 。这是因为，工作记忆与长时记忆不同，工作记忆中的内容并不长期保留，它只起缓冲存储器作用：在思维加工过程中暂存加工对象和加工结果，加工完成后，其中内容就会很快消失。因此，我们不必考虑思维加工的方式、机制，也不必管思维加工的对象，只需考虑工作记忆中是否有内容，以及工作记忆持续时间的长短就可以觉察出是否有思维过程发生。,2019/5/20,10,Working Memory Model,2019/5/20,11,工作记忆的分类,有三种不同的工作记忆： 存储言语材料的工作记忆适用于时间逻辑思维； 存储客体表象的工作记忆适用于以客体表象作为加工对象的空间结构思维，即通常所说的形象思维； 存储空间表象的工作记忆适用于以空间表象作为加工对象的空间结构思维，即通常所说的直觉思维；,2019/5/20,12,言语工作记忆的定位,根据目前脑科学研究的新进展，布朗大学的布隆斯腾（S.E.Blumstein）指出，言语功能并不是定位在一个狭小的区域上，按传统观念，言语功能只涉及左脑的布洛卡（Broca）区和沃尼科（Wernicke）区，而是广泛地分布于左脑外侧裂周围区域上，并向额叶前部和后部延伸，包括布洛卡区、紧邻脸运动皮层的下额叶和左侧中央前回（但不包括额极和枕极）。其中布洛卡区受损将影响言语表达功能，沃尼科区受损将影响言语理解功能。但是和言语理解与表达有关的加工机制并不仅仅限于这两个区。用于暂存言语材料的工作记忆一般都认为是在“左前额叶”，但具体是在左前额叶中的哪一部位，目前尚未精确定位。据皮特瑞兹（Petrides）等人的意见，倾向于在左前额叶的布洛德曼6区。,2019/5/20,13,客体工作记忆的定位,1993年密什根大学心理系的钟尼兹（J.Jonides）等人运用当代研究脑科学的最先进测量技术之一正电子发射断层扫描术( PET技术 )，对客体表象与空间表象的生成过程作了深入研究，得到了关于这两种表象生成机制与工作记忆定位的、富有价值的成果。由于PET是通过发射正电子的同位素作为标记物，将其引入脑内某一局部区域参与已知的生化代谢过程，然后用计算机断层扫描技术，将标记物参与代谢过程的代谢率以立体成象形式表达出来，因此具有定位准确、对大脑无损伤，适合于大量被试进行测试的优点。 钟尼兹等人的测试结果如下： 客体表象的生成与加工机制在大脑左半球的颞下回（集中于布洛德曼37区，立体定向坐标为：48，-58，-11）、左半球的顶叶（集中于布洛德曼40区，立体定向坐标为：35，-42，34）和右半球的扣带回前部（集中于布洛德曼32区，立体定向坐标为：-1，14，43）；客体工作记忆则在左半球的前额叶皮层（集中于布洛德曼6区，立体定向坐标为：39，3，29）。,2019/5/20,14,空间工作记忆的定位,空间表象的生成与加工机制在大脑右半球的枕叶（集中于布洛德曼19区，立体定向坐标为：-30，-76，31）顶叶后部（集中于布洛德曼40区，立体定向坐标为：-42，-40，36）和运动前区（集中于布洛德曼6区，立体定向坐标为：-34，-1，45）；空间工作记忆则在右半球的前额叶皮层（集中于布洛德曼47区，立体定向坐标为：-35，19，-2）。 应当说明的是，在上述各组测试结果中，当某一半球有显著激活时，另一半球的相应位置也有激活，只是这种激活未达到统计学上的显著标准而已。 上述结果表明，与客体(属性)表象识别有关的视觉信息加工机制（形象思维）主要在左半球（只有“扣带回前部”不在左半球），客体工作记忆也在左半球；与空间（关系）表象有关的视觉信息加工机制（直觉思维），包括空间工作记忆内在，全都在右半球。,2019/5/20,15,显意识与时间逻辑思维,时间逻辑思维是建立在语言符号序列的基础上，所以具有顺序性、持续性的特点。也就是说，在运用基于语言符号的概念来进行判断、推理时，只能按照词语符号出现的先后顺序一步一步地操作，持续时间往往较长，尤其是在分析处理事物之间的复杂关系时更为突出。总之，在逻辑思维情况下，其工作记忆的持续时间是较长的，加上是按线性、顺序方式工作，每一步骤都很清楚、明确。因此这种思维过程很易于觉察，而且还可以由思维主体将思维过程的每一步骤用言语表述出来-使内隐的心理操作过程变成外显的言语活动。正是在这个意义上，通常把时间逻辑思维称为“显意识思维”。换言之，显意识思维是指其过程不仅能被觉察还能用言语加以描述的思维；反之，其过程若不能被觉察或不能用言语加以描述的思维皆属潜意识思维,2019/5/20,16,显、潜意识与形象思维,空间结构思维的材料是表象，表象又分事物属性表象和空间表象两种。对于事物属性表象的加工，通常是用分析、综合、抽象、概括、联想、想象等方法。每一方法的具体操作过程和用言语概念作思维材料的逻辑思维过程虽然不同，但有类似之处这种思维也能划分出心理操作步骤，故也能用言语描述，因而具有显意识思维的特征。但是由于在空间结构思维的场合，是以完整的表象作为思维加工单位，因而在这种场合，尽管在对表象进行分析、综合、抽象、概括、想象等过程中，也是按顺序一步一步操作，但由于加工单元少，步骤较简单，所以工作记忆持续时间往往较短，有时在一瞬之间对事物属性表象的分析、综合就已完成。所以有两种情况应该特别注意：,2019/5/20,17,显、潜意识与形象思维,（1）在工作记忆持续时间过短，而思维主体又未事先分配注意的情况下，这种短暂的思维过程可能未被觉察，从而成为潜意识思维； （2）在“创造想象”的酝酿阶段，一般也有一段潜意识思维过程。由于创造想象和再造想象不同，它没有现成表象可以利用，要“无中生有”，重新创造出一个前所未有的新表象来，因此在这样的新表象被初步构想出来之前，在工作记忆中将会有一段空白。这段工作记忆为空白的时间，由于缺乏思维加工对象，一般说来思维过程将不能进行，也无法被觉察。更不能用言语描述，所以这是真正的潜意识思维过程。但是，如果这段时间内有时间逻辑思维与之配合的话，这种思维过程就有可能展开，从而使创造想象过程得以完成。,2019/5/20,18,显、潜意识与直觉思维,对于空间表象的加工，和对事物属性表象的加工相比又有许多新的特点。除了是用完整表象作为思维加工单位，这一点与事物属性表象的加工有共性以外，其他方面皆与对事物属性表象的加工不同。它不是线形、顺序的慢节奏加工，而是在整体综合、直观透视基础上快速作出的直觉判断。所以我们把这种思维称之为“直觉思维”。 直觉思维通常有两种：简单直觉思维与复杂直觉思维。简单直觉思维的加工对象是与空间视觉定位有关的空间位置表象，即上面所述的空间表象；复杂直觉思维的加工对象则是用来描述复杂事物之间结构关系的“关系表象” 。在空间视觉定位情况下，工作记忆内必有关于客体位置的初始特征值，以便根据这些特征值由思维加工机制确定客体的空间位置；而在判断、处理复杂事物关系的情况下，由于事物之间隐含的复杂关系是有待发现的，所以在工作记忆中将不会有初始值。这是两种直觉思维的很大不同之处。,2019/5/20,19,显、潜意识与直觉思维,由以上分析可见，以空间表象作为加工对象的空间结构思维，由于其特点是整体把握、直观透视、空间整合基础上进行的快速立体思维，其工作记忆必然短暂，因而这种思维过程难以觉察，往往表现为“潜意识思维”。尤其是在复杂直觉思维中，由于事物之间复杂的内在关系一时很难把握住，甚至经过较长时间思索也找不到这种关系。这时将会出现和创造想象过程中的类似现象有一段时间工作记忆的内容为空白。可见复杂的直觉思维是和创造想象一样的真正的潜意识过程。,2019/5/20,20,无条件的显、潜意识思维,可归纳出下列结论： 时间逻辑思维是无条件的显意识思维，形象思维