人工智能时代：破解人机共存密码（套装共10册）

我曾问过所罗门·哥伦布（也是我的岳父）他是如何得到如此优雅的方案来解决通信问题的。他说这是来自他在数论方面的训练，这是数学中最抽象的部分之一。当他在巴尔的摩的Glenn L. Martin公司做暑期实习生时，就曾接触过移位寄存器序列。1956年，在哈佛大学获得数论专业（一种高度抽象的数学领域）的博士学位后，他到了加州理工学院喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，以下简称JPL）工作。在那里，他担任通信组的负责人，并从事空间通信工作。深空探测器被发送到太阳系的远端，但返回的信号微弱且嘈杂。移位寄存器序列和纠错码大大改善了与空间探测器通信的效果，相同的数学原理更是为现代数字通信奠定了基础。

哥伦布在JPL的时候曾聘请过另一位杰出的信息理论家安德鲁·维特比（Andrew Viterbi），并将他介绍给了从麻省理工来JPL休学术年假的厄文·雅各布（Irwin Jacobs）。几十年后的1985年，维特比和雅各布联手创建了高通，从此彻底改变了手机技术。该公司使用移位寄存器序列将信息分布在很宽的频带上进行传播，这比使用单一频率的通信方式更有效。该想法的一个简单版本可以追溯到海蒂·拉玛（Hedy Lamarr）（见图15–4），她是一位电影演员兼发明家，于1941年与他人共同分享了跳频（frequency hopping）技术的专利，这是她在第二次世界大战期间为军方开发的安全通信系统。^[4]哥伦布离开JPL加入南加州大学后，爱德华·波斯纳（就是创建了NIPS的爱德华·波斯纳）接管了他的团队，但哥伦布仍然在继续为他的前JPL团队提供支持和建议。

移位寄存器序列背后的数学是数论中比较深奥的部分。当哥伦布从哈佛大学获得博士学位时，他的博士生导师和当时的大多数数学家都相信，纯数学永远不会有任何实际的应用。剑桥学者哈代（G. H.Hardy）在其富于影响力的著作《一位数学家的道歉》（AMathematician's Apology） ^[5]中分享了这种观点。他宣称“好”的数学必须是纯粹的，而应用数学是“无趣的”。但数学只是数学本身，并没有纯粹和应用之分。一些数学家可能希望他们的数学是纯粹的，但他们无法阻止它解决现实世界中的实际问题。事实上，哥伦布的职业生涯主要是通过找到“纯数学”中正确的工具来解决实际问题而被定义的。

哥 伦 布 还 发 明 了 数 学 游 戏 。 他 的 书 《 多 格 骨 牌 》（Polyominoes）^[6]引入了包含许多个正方形的各种形状，扩展了只有两格正方形的多米诺骨牌。马丁·加德纳（Martin Gardner）在《科学美国人》的“数学游戏”专栏中推广了多格骨牌。四格骨牌（Tetrominoes），是由四个方块组成的形状，俄罗斯方块的灵感就来源于此。俄罗斯方块是一款会令人上瘾的游戏，四格骨牌从上面像雨点一样落下来，需要将它们引导至底部的插槽。多格骨牌至今仍然是一种流行的棋盘游戏，并且在数学的一个子领域里引发了一系列有趣的组合问题。

哥伦布也是研究《圣经》的学者，会说几十种语言，包括日语和普通话。比阿特丽斯曾经带给他道格拉斯·霍夫斯塔特（DouglasR.Hofstadter）的著作《哥德尔、艾舍尔、巴赫：集异璧之大成》（Gödel,Escher, Bach: An Eternal Golden Braid）的初版。他打开卷首，标题说这是古希伯来语《创世记》的前20行。“首先，它是颠倒的。”他说，然后把书转过来，“其次，这是古撒玛利亚语，而不是古希伯来语。第三，这不是《创世记》的前20行，只是《创世记》前20行每行的前7个字。”他继续读下去，并翻译了这段经文。

克劳德·香农参加了1985年在布莱顿举行的ITS座谈会，哥伦布在会上做了一场香农讲座。这是香农继1972年自己的那次讲座后，参加的唯一一次香农讲座。

预测是如何产生的

在通信系统中，无论是空间上还是时间上，变化都具有很高的信息价值。强度均匀的图像和没有变化的信号一样，几乎不提供任何信息。向大脑发送信号的传感器主要用来检测变化，我们已经在第5章的视网膜和第14章中托拜厄斯·德尔布吕克的DVS相机中看到了一些例子。一旦在视网膜上稳定下来，图像会在几秒钟后消失。^[7]尽管我们没有意识到这一点，我们的眼睛进行的微小跳动，即微跳动（microsaccades），每秒钟都会发生几次，每次跳动都会刷新我们大脑内部针对外部世界所搭建的模型。当外部世界的某些事物发生移动时，视网膜会及时向上报告，它们的报告还更新了大脑的外界模型，如图15–5所示。大脑的模型是一个层级结构的模型，传入的感官信息和模型期望值之间的比较发生在多个层次上。^[8]明亮的闪光或巨大的噪声，通过自下而上地突显差异，立刻引起了你的注意。但是你通过对记忆自上而下的比较，注意到桌面上的某些东西在更高的层级上发生了变化。所有这些在大脑中实时发生的事情，都会让人想起卡弗·米德的口头禅，“时间是它自己的代表”。^[9]

预测编码可以追溯到赫尔曼·冯·亥姆霍兹，他将视觉解释为无意识推理，或自上而下生成视觉信息以消除噪声，填充不完整的信息，并解释视觉场景。^[10]例如，一个熟人的照片在我们视网膜里是有单眼深度线索的，因为我们熟悉那个人的实际大小，并且具备视网膜中大小如何随着距离变化的经验。在更高的认知水平上，詹姆斯·麦克莱兰和大卫·鲁姆哈特发现，当字母位于单词中时，被试者能够比在没有语境的非单词环境中更快地将它们识别出来。^[11]他们的并行处理模型展现出了类似的行为，这使得两位研究人员相信，他们正在沿着理解信息如何在我们的大脑中呈现的正确轨道上前行。

深度理解大脑

2013年4月2日由白宫发起的美国“BRAIN计划”（见图15–6）的目标，是创造新的神经技术，以加速我们对“终极信息机器”，即大脑的功能和障碍的进一步理解。正如NIPS会议将许多学科的研究人员聚集在一起创建有学习能力的机器一样，“BRAIN计划”正在将工程师、数学家和物理学家引入神经科学领域，以改进探测大脑的工具。随着我们对大脑，尤其是关于学习和记忆机制的了解更加深入，我们将更好地理解大脑功能的原理。

起草了“BRAIN计划”白皮书；威廉·纽索姆（William Newsome），NIH关于“BRAIN计划”咨询委员会的联合主席；弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins），NIH院长；杰拉德·鲁宾（Gerald Rubin），霍华德·休斯医学研究所珍妮莉娅研究园区（Janelia Research Campus of the Howard Hughes Medical Institute）主任；科拉·马雷特（Cora Marrett），美国国家科学基金会主任；巴拉克·奥巴马（Barack Obama），时任美国总统；艾米·古特曼（Amy Gutmann），总统生命伦理委员会主席；罗伯特·康恩（Robert Conn），科维理基金会主席；阿尔提·普拉巴卡尔（Arati Prabhakar），DARPA主任；艾伦·琼斯（Alan Jones），艾伦脑科学研究所所长；我，索尔克研究所。图片来源：托马斯·卡里尔（Thomas Kalil）。

虽然在分子和细胞水平上对大脑有了深入的了解，但我们还没有在更高层次上对大脑的结构有一个同等的认知。我们已经知道，不同类型的信息被分散到皮层的不同部分进行储存，却不清楚如何快速检索所有分散的信息以解决复杂的问题，例如我们能够通过存储在皮层不同部位的人脸的图像，识别出一个人的名字。这个问题与大脑中意识的起源密切相关。

我的实验室最近发现了人类大脑在睡眠期间的整体活动模式，可以让我们了解大脑皮层中广泛分布的信息是如何联系在一起的。在恢复性慢波睡眠和快速眼动（REM）睡眠之间的睡眠阶段，高度同步的被称为“睡眠锭”（sleep spindles）的时空振荡，主导着皮层的活动。这些10到14赫兹的振荡会持续几秒钟，并在夜间发生数千次。有实验证据表明，在我们睡觉时睡眠锭参与了记忆的巩固。通过来自人脑皮层的记录，莱尔·穆勒（Lyle Muller）、西德尼·卡什（SydneyCash）、乔瓦尼·皮安托尼（Giovanni Piantoni）、多米尼克·科勒（Dominik Koller）、埃里克·哈格伦（Eric Halgren）和我共同发现，睡眠锭在皮层中是一种无处不在的，扫过皮层所有部分的电活动的循环行波（图15–7）。 ^[12] 我们称它们为“莱娅公主波”（Princess Leia Waves），因为它们看起来跟这位公主的发型很像（图15–8）。我们推测，睡眠锭可能是皮层将白天获得的新信息，与先前分布在皮层中的记忆相结合的一种方式，加强了它们之间的长距离连接。这是“BRAIN计划”推动的系统神经科学层次的众多研究项目之一。

图15-7 在人类大脑皮层中的循环电子行波。这是在睡眠锭期间，从皮层表面上用8×8网格电极记录下来的图像。睡眠锭涉及记忆巩固。（左）睡眠锭是沿着箭头所示方向穿过皮层侧视图的循环行波，每80毫秒完成一个循环。这一过程在夜间会重复数千次。（右）小箭头表示循环期间，在皮层表面64个记录点上行波移动出现最大增加量的方向。图片来源：L. Muller，G. Piantoni，D. Koller，S. S. Cash，E.Halgren and T. J.Sejnowski，“Rotating Waves during Human SleepSpindles Organize Global Patterns of Activity during the Night”Supplementary 7，subject 3，TPF。左图：图2B，右图：图1。