想法的几何学：大脑如何构建内在的意义宇宙？

From: Adithya 集智俱乐部 2019-09-22

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导语

脑科学最新进展表明，独特的几何空间信息表征，才是人脑难以被机器超越的关键。而这一套内置于大脑海马体的『GPS定位系统』，功劳不仅在表达物理位置，还在于构建人脑的认知空间——表达抽象概念、梳理人际距离、应对陌生环境，甚至关乎人类高阶认知能力。对此的一系列探索，将对搭建新型的人工智能框架有重要启示。

编译：集智俱乐部翻译组
来源：Nautilus
原题：
New Evidence for the Strange Geometry of Thought

人脑的“特异功能”：
几何空间认知

瑞典哲学家、认知科学家Peter Gärdenfors（彼得·格登福斯）| © researchmagazine.lu.se

2014年，Peter Gärdenfors去波兰的克拉科夫参加一个有关人类心智研究会议，在雅盖隆大学（Jagiellonian University）进行一次由哥白尼跨学科研究中心安排的演讲，讲述认知空间理论。

十多年来，Gärdenfors 一直致力于认知空间理念的研究——它解释了我们的大脑如何表征概念和物体。在 2000 年出版的《Conceptual Spaces》一书中，他写道——长期以来，认知科学中的一个普遍偏见是，认为大脑要么是一个运用符号的图灵机，要么是联接主义意义下的一个神经网络系统。

在克拉科夫的会议上，Gärdenfors 反对这些偏见。在演讲《思维的几何学》中，他提出，人类能够做到今天强大的计算机都无法做的事情，比如快速学习语言，比如从细节上轻松进行归纳（不经过太多训练，就认识到狮子和老虎是四条腿的猫科动物)，是因为——

在表征几何空间信息上，人脑有不同于计算机的表征方式。

新证据！
概念与空间表征“同源”

在 2018 年《科学》杂志上，三位神经科学家 Jacob Bellmund, Christian Doeller 和 Edvard Moser 联合发表的一篇论文中，他们以脑科学的最新研究进展支持了 Gärdenfors 的观点。该文证明，大脑对各种概念的表征方式与空间位置是相同的，均通过使用相同神经回路——一套内置大脑的 GPS定位系统。

论文题目：
Navigating cognition: Spatial codes for human thinking
论文地址：
http://science.sciencemag.org/content/362/6415/eaat6766
相关报道：
http://doellerlab.com/cognitive-space/
http://nautil.us/issue/58/self/the-surprising-relativism-of-the-brains-gps

©nautil.us

Bellmund 表示，“认知空间是描述我们大脑如何组织世界知识的一种方式”。这种方式不仅涉及位置数据，还包括对象和体验之间的关系，“许多不同群体的证据表明，海马体中的空间编码准则似乎不仅仅涉及空间导航问题”。

换句话说，海马体的位置细胞（place cells）和网格细胞（grid cells）不仅映射物理空间，还能映射概念空间。我们对物体和概念的表达似乎与我们对空间的表达是紧密相连的。

对这些“位置细胞”如何工作的解释如此让人令人震惊，相关研究的科学家 John O’Keefe, May-Britt Moser, 和 Edvard Moser 也因此被授予了 2014 年诺贝尔生理学或医学奖。

译注：

Gärdenfors 的理论不仅为认知科学家，也为神经学家和机器学习研究指引出了一条有效的研究进路。

“位置细胞”如何工作

几十年来的研究发现，大脑中的区域——海马体和内嗅皮层，就像 GPS 一样。这些细胞让大脑构建了对周围环境类似网格一样的描述，并随后持续跟踪其位置。

具体来说，内嗅皮层中的神经元是在空间均匀分布的位置激活：例如在促使这些细胞激活的环境中，你在大脑每个激活的细胞位置之间画线，你最终会画出一个三角形或六边形网格。在这些恰如其名的“网格”细胞活动中，也包含了另一种反映你身体特定位置的信息。

只有当你处在物理空间中某个特定方位或坐标时，表征的网格细胞们才会激活，并且由头部方向细胞定义了你大脑的指向。此外还有一些细胞，提示你是否处于边界——例如墙或悬崖。对啮齿类动物的大脑建模已经阐明了大脑空间网格细胞的性质，而通过功能性磁共振成像（fMRI），它们在人类大脑中的存在也同样已得到证实。

六边形网格 ©nautil.us

心理图像与人际距离

最近的 fMRI 研究显示，认知空间存于大脑海马体网络中——支持它作为大多数潜意识心理活动加工核心的观点。例如，在2016 年一项由牛津大学神经科学团队主导的研究课题中，对受试者展示了一段鸟的颈部和腿尺寸变化的视频。之前，他们已经学会了将一种特殊的鸟形状与圣诞标志联系起来，如圣诞老人或姜饼人。

研究者发现，受试者在一张非二维空间地图上建立了“心理图像”之间的联系，fMRI 数据中网格细胞的响应情况表明，这与受试者想象自己在物理环境中行走时所看到的极其类似。这种心理过程也可以解释我们对家人和朋友的看法是怎么形成的。

Doeller 说，我们可能会根据他们的身高、幽默程度或收入来想象他们，将他们编码为高或矮、幽默或无趣，贫穷或富有，并且被取决的任一维度此时都很重要，因为大脑会根据这些维度，把不同朋友存到更近或更远的心理距离上。

“结构化”大脑应对陌生环境

但认知空间的作用远不止于对已熟悉的物体进行比较。“这些认知空间对我们有用的另一面是，当我们遇到一些从未见过的事物时，”Bellmund说，“基于新事物的特征，大脑可以将它们迅速定位于在认知空间中，然后我们就可以使用已有的知识来推断在这种新颖情况下该如何进行表现”。

大脑以这种结构化的方式表达知识，使我们能够知晓在新环境中应该如何开展行动。

多层次抽象信息的表达

对数据进一步分析表明，这些大脑区域还可以表征不同抽象层次的信息。想象你的眼睛穿过大脑的海马体，从头顶往下巴方向，你会发现许多不同的位置细胞组都完全映射了整个环境，但却具有不同的放大尺度。

换句话说，穿过海马体就像放缩你手机的地图应用一样，单个位置细胞表征的空间区域会不断被放大。这种尺度的差异可能是人类能在较低和较高的抽象水平认知之间移动的基础——从“狗”到“宠物”到“活物”。在认知空间中，较小的位置细胞群表征由更多类型组成、相对更宽的范畴，而放大的位置细胞们则代表更窄的概念。

埃舍尔画作《异度空间Ⅱ》(Other World Ⅱ )

活跃细胞有“专攻”

然而要知道，我们头脑不仅能够进行概念抽象，还非常灵活，能表征更加广泛的概念。要做到这点，大脑的相关区域就需要能够在不同概念之间进行切换，而不会有任何信息的交叉污染，假如我们对鸟类概念会受到汽车概念的影响，那就太糟糕了。

对啮齿类动物研究发现，当动物进行新环境迁移时——例如从蓝色笼子到布满黑墙的实验室，不同环境中活跃的位置细胞是彼此无关的。研究者们标记了在一个环境位置中活跃的细胞，并将其与另一环境中的细胞活动进行了比较：如果细胞在蓝色笼子和黑色房间里都活跃，则表明环境之间可能存在交叉污染。但研究者们没有发现位置细胞的活动有任何这种环境相关性。

因此，大脑的海马体似乎能够表征两种不同环境，而不会使二者混淆。位置细胞的这种特性就可用于构建认知空间，显然这种能避免交叉污染的特性是极为必要的。“通过综合前面所有这些发现”，Bellmund 说“我们可以得出这样的假设，即我们大脑中存储了一张心理地图，不管我们是在思考真实空间，还是思想中不同维度的空间。”

激活的网格细胞，呈六边形“蜂窝状排布”

人脑高阶认知能力正待揭秘

科学家们仍然需要进一步通过实验验证海马体和人类高级认知功能之间的联系。像牛津大学的研究组那样的功能磁共振成像研究，目前阶段还只是启示性的，研究者们总结，“尽管从粗粒的 fMRI 信号，我们已经可以谨慎得出神经编码水平的一些结论，如非空间认知过程中的异常精确的六边形调制信号”。但我们还不知道位置细胞是否真的是处在认知空间中的特定位置来代表物体。

在人类受试者的实验中揭示这一点有些困难，因为需要异常精细分辨率的大脑成像。对此高分辨率功能磁共振成像的最新进展可能会为此提供解决方案。

不过还是 Bellmund 指出，对高级认知，通过对啮齿动物研究也可以揭示认知空间的存在。例如，2017年的一篇论文指出，老鼠大脑中位置细胞可以形成声音频率图，海马体中的不同细胞响应不同的声音频率，从而形成一个声音的认知空间。进一步对人类的研究发现，海马体中这种网格状的活动，在人类大脑皮层的其他部分也有出现。因此，虽然可能非常复杂，但人类的高阶认知能力也许就来自大脑几个部分间的这种交互作用。

Gärdenfors 的理论不仅为认知科学家，也为神经学家和机器学习研究指引出了一条有效的研究进路。虽然这目前还是一幅尚未完整、总体粗糙的草图，还需要进一步改进和细化。

但不管怎样，正如 Gärdenfors 和 Bellmund 所言，认知空间不仅是“人类思维领域的通用格式”，一个“核心总体框架”，也可以在帮助我们揭开神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症）的起因，以及在“启发新型架构的人工智能”等各种科学领域实践上起到重要作用。