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視知覺科學(xué)迄今已有200年歷史，對于“知覺過程從哪里開始？先看見樹木還是先看見森林？”這一根本問題的爭論從沒停止過。在近代的知覺研究中，強調(diào)視知覺過程是從局部到整體的初期特征分析的理論路線一直占統(tǒng)治地位。

中國科學(xué)院院士、著名認(rèn)知科學(xué)家陳霖

而36年前，一個名不見經(jīng)傳的中國人在國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，獨創(chuàng)性地提出了“大范圍首先”的拓?fù)湫再|(zhì)初期知覺理論，向半個世紀(jì)以來占統(tǒng)治地位的“局部首先”的初期特征分析理論提出了挑戰(zhàn)。這是他在視知覺研究領(lǐng)域的獨創(chuàng)性貢獻(xiàn)，這一理論也被稱之為“陳霖的拓?fù)湫再|(zhì)知覺理論”。

這是改革開放后中國學(xué)者在《科學(xué)》上發(fā)表的第一篇科學(xué)論文（后臺回復(fù)“陳霖”獲取完整論文）。論文的唯一作者陳霖，當(dāng)時既沒有學(xué)位也沒有職稱。30年時間里，在與持不同學(xué)術(shù)觀點的學(xué)者的爭論與交流中，他用令人信服的實驗不斷完善和論證著這一假說，使之成為被越來越多的國際同行所接受的學(xué)說，進(jìn)而成為有國際影響力的理論。

陳霖1982年發(fā)表在Science上的《視知覺的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》一文

2003年，因在視知覺研究領(lǐng)域的獨特性貢獻(xiàn)，陳霖當(dāng)選中國科學(xué)院院士，成為著名心理學(xué)家潘菽院士去世15年以后，中國科學(xué)院唯一一位心理學(xué)院士。

“毛頭小子”曾勇于挑戰(zhàn)世界權(quán)威

認(rèn)知科學(xué)是研究人類感知和思維信息處理過程的科學(xué)，包括從感覺的輸入到復(fù)雜問題求解，從人類個體到人類社會的智能活動，以及人類智能和機器智能的性質(zhì)。認(rèn)知科學(xué)是現(xiàn)代心理學(xué)、信息科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、數(shù)學(xué)、科學(xué)語言學(xué)、人類學(xué)乃至自然哲學(xué)等學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)果。認(rèn)知科學(xué)的興起和發(fā)展標(biāo)志著對以人類為中心的認(rèn)知和智能活動的研究已進(jìn)入到新的階段。

在人們的常識中，一個物體是由部分構(gòu)成的，局部先于整體似乎不容懷疑。近代知覺研究中，主流觀點都認(rèn)為視覺過程是從局部到整體。然而，通過分析知覺研究面臨的各種根本性困難，陳霖認(rèn)為，物理或計算的簡單并不一定意味著心理學(xué)的簡單，或者知覺的簡單。視知覺乃至認(rèn)知科學(xué)其他領(lǐng)域研究中所遇到的各種根本性困難，可能正是來源于由局部到整體的錯誤假設(shè)。

1982年，當(dāng)時“名不見經(jīng)傳”的陳霖在《科學(xué)》雜志上發(fā)表題為《視知覺中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》一文，原創(chuàng)性地提出知覺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能層次的理論。與傳統(tǒng)的初期特征分析理論根本不同，他認(rèn)為，知覺活動主要是由大范圍向局部進(jìn)行的，而且這種大范圍性質(zhì)可以用拓?fù)湫再|(zhì)來描述，以大范圍拓?fù)洳蛔冃再|(zhì)為基礎(chǔ)的各級幾何不變性質(zhì)是圖形知覺的基本表達(dá)。

這一觀點剛提出來的時候，幾乎所有的主流科學(xué)家都反對他。他沒有放棄，甘坐“冷板凳”，堅持自己的看法，并不斷用科學(xué)方法加以驗證。經(jīng)過近30年的研究表明，人的視覺過程是從知覺的大范圍性質(zhì)開始的?！按蠓秶紫取钡耐?fù)湫再|(zhì)知覺理論，為知覺組織研究提供了一個科學(xué)準(zhǔn)確描述的不變性知覺的系統(tǒng)理論。陳霖不僅把這個理論應(yīng)用到視覺問題，而且成功地應(yīng)用到注意、記憶、意識乃至情緒等廣泛不同認(rèn)知層次的研究。

新一代人工智能的核心基礎(chǔ)科學(xué)問題是認(rèn)知和計算的關(guān)系

作為我國認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域首屈一指的領(lǐng)軍人物，陳霖院士出席了國內(nèi)首個關(guān)注認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)與AI交叉融合的高端學(xué)術(shù)會議——中國認(rèn)知計算和混合智能學(xué)術(shù)大會（CCHI 2018），并作了題為《新一代人工智能的核心基礎(chǔ)科學(xué)問題：認(rèn)知和計算的關(guān)系》的大會報告。

陳霖在CCHI 2018作大會報告

想要成為人工智能領(lǐng)域的真正意義上的科學(xué)強國，離不開對人工智能的基礎(chǔ)研究。圖靈的計算模型，回答了什么是計算的問題，奠定了計算機科學(xué)的基礎(chǔ)；香農(nóng)的通信數(shù)學(xué)原理，回答了什么是信息的問題，奠定了信息科學(xué)的基礎(chǔ)。那么，新一代人工智能的核心基礎(chǔ)科學(xué)問題是什么？我們能否建立回答這些問題的原創(chuàng)系統(tǒng)理論？這是陳霖長期以來不斷孜孜以求的目標(biāo)。

通過總結(jié)認(rèn)知科學(xué)研究近四十年來的發(fā)展經(jīng)驗，陳霖認(rèn)為，發(fā)展新一代人工智能的核心基礎(chǔ)科學(xué)問題是：認(rèn)知和計算的關(guān)系。例如，要回答人工智能會不會取代人類智力這個被廣泛關(guān)注的問題，凝煉成科學(xué)問題，本質(zhì)上是要回答認(rèn)知和計算的關(guān)系問題。 

陳霖進(jìn)一步將認(rèn)知和計算的關(guān)系細(xì)化為四個方面的關(guān)系：

（1）認(rèn)知的基本單元和計算的基本單元的關(guān)系

研究任何一種過程，建立任何一種過程的科學(xué)理論，必須回答一個根本的問題：這種過程操作的基本單元是什么。每門基礎(chǔ)科學(xué)都有其特定的基本單元，例如高能物理的基本粒子，遺傳學(xué)的基因，計算理論的符號，信息論的比特。大量的認(rèn)知科學(xué)實驗事實表明，認(rèn)知的基本單元是知覺“物體（Object）、組塊（Chunk）、時間格式塔（Temporal Gestalt）”之類的表達(dá)。

陳霖認(rèn)為，由計算理論創(chuàng)始人David Marr提出的“物體同一性”概念、諾貝爾獎得主Kahneman的基于物體理論、認(rèn)知心理學(xué)奠基人George Miller提出的工作記憶“Chunk”理論以及德國科學(xué)院院士Ernst Poeppel提出的“時間格式塔”理論等來自不同認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)軍人物提出的經(jīng)典范例的重要性在于，它們不是借用于其它科學(xué)（信息學(xué)、物理學(xué)），不是來源于物理的邏輯或計算的分析。它們原創(chuàng)根源于認(rèn)知科學(xué)的實驗發(fā)現(xiàn)，對認(rèn)知的理解具有不可替代的意義，是適合描述認(rèn)知精神世界的基本變量。

然而，上述問題來自不同的認(rèn)知層次，這些問題都是提出數(shù)十年后仍然沒有解決的難題。那么能否建立描述屬于它們共同的本質(zhì)的認(rèn)知單元的統(tǒng)一模型？陳霖認(rèn)為，“大范圍首先”的知覺物體的拓?fù)鋵W(xué)模型是認(rèn)知基本單元的理論模型，并就知覺物體的拓?fù)鋵W(xué)定義、空間和時間組織的統(tǒng)一模型展開論述。

知覺物體的拓?fù)鋵W(xué)定義：在形狀改變變換下保持不變的整體同一性的拓?fù)鋵W(xué)描述。

如何科學(xué)準(zhǔn)確地定義知覺物體，是目前認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性、原創(chuàng)性的重大科學(xué)問題之一，對此，陳霖提出了“大范圍首先”的拓?fù)湫再|(zhì)知覺理論。視覺過程是從大范圍性質(zhì)開始的，這種大范圍性質(zhì)可以用拓?fù)湫再|(zhì)來描述。而“知覺物體”的核心含義在于，在形狀改變的變換下仍然保持不變的整體同一性。

如何科學(xué)準(zhǔn)確地定義“Chunk”是目前工作記憶領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性、原創(chuàng)性的重大科學(xué)問題之一。陳霖提出了“大范圍首先”的工作記憶基本單元理論?！癈hunk”的核心含義在于，由“grouping”，“belongingness”，“what goes with what”形成的整體性。

體現(xiàn)在不同認(rèn)知層次的基本單元（如知覺物體、組塊、時間格式塔等）的共同本質(zhì)——同一性和不變性，可以定義為容限空間上的大范圍拓?fù)洳蛔冃再|(zhì)。陳霖指出，各個認(rèn)知層次（包括知覺、注意、學(xué)習(xí)、記憶、數(shù)的認(rèn)知、發(fā)展和進(jìn)化、情緒、意識）的實驗，一致支持了“大范圍首先”的認(rèn)知基本單元拓?fù)鋵W(xué)定義。

空間和時間組織的統(tǒng)一模型：拓?fù)湫再|(zhì)改變產(chǎn)生時-空格式塔（知覺物體）

經(jīng)典的注意研究集中在空間因素，很少研究時間因素，更少考慮時間和空間因素整合的時-空統(tǒng)一的概念模型。

對此，陳霖提出了整合空間和時間組織的認(rèn)知基本單元概念模型。具體而言，空間相鄰性或時間相鄰性的拓?fù)湫再|(zhì)改變，產(chǎn)生一個時-空格式塔（時-空組織統(tǒng)一的認(rèn)知基本單元），在其時間窗口內(nèi)保持其不變性，同時抑制拓?fù)湫再|(zhì)不等價的其它基本單元的表述。

陳霖指出，拓?fù)湫再|(zhì)改變產(chǎn)生時-空格式塔的模型五要素包括：拓?fù)湫再|(zhì)改變和拓?fù)湫再|(zhì)分辨的不同功能和機制：前者是new object的產(chǎn)生，后者是potential object的組織；時間-空間組織統(tǒng)一的模型，“拓?fù)湫再|(zhì)改變”不僅是基于空間proximity，而且基于時間proximity；Bottom-up和top-down的關(guān)系，Bottom-up的優(yōu)先性；拓?fù)湫再|(zhì)改變產(chǎn)生新物體是快速和增強的過程，物體保持同一性是持續(xù)和壓制其他物體的過程；“a spatial-temporal gestalt”是一個抽象的概念，不局限于具體的物理空間，而是抽象的時空統(tǒng)一的表達(dá)，所以稱為時空統(tǒng)一的“space-time worm”。

陳霖認(rèn)為，超越直覺的理解，科學(xué)準(zhǔn)確地定義認(rèn)知基本單元，建立統(tǒng)一的認(rèn)知基本單元模型，對于發(fā)展新一代人工智能具有基本重要的意義。

（2）認(rèn)知神經(jīng)表達(dá)的解剖結(jié)構(gòu)和人工智能計算的體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系

大腦是由結(jié)構(gòu)和功能相對獨立的多個腦區(qū)組成的。這種模塊性的結(jié)構(gòu)，不同于計算機的中心處理器和統(tǒng)一記憶存儲器的體系結(jié)構(gòu)。最近的研究發(fā)現(xiàn)，視網(wǎng)膜最內(nèi)層一種名為ipRGCs（內(nèi)部感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞）的細(xì)胞在視覺成像中發(fā)揮重要作用，對拓?fù)湫再|(zhì)的檢測既是充分優(yōu)勢必要的。

陳霖認(rèn)為，ipRGCs的發(fā)現(xiàn)是近十年來神經(jīng)科學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)之一。它的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了對眼睛功能的完全重新的認(rèn)識。此前的研究認(rèn)為，ipRGCs能表達(dá)黑視素，并調(diào)控著多種與光照相關(guān)的生理過程。破壞ipRGCs功能會導(dǎo)致晝夜生物鐘功能喪失，使瞳孔對光反應(yīng)混亂。而研究人員最新發(fā)現(xiàn)，ipRGCs并非都一樣，而是存在兩個完全不同的光感受器系統(tǒng)，一個是基于視桿視錐的視覺系統(tǒng)，另一個是基于視黑素的非圖像功能的光系統(tǒng)。

主流理論認(rèn)為，ipRGCs沒有圖形知覺能力，只是晝夜和瞳孔調(diào)節(jié)。然而，根據(jù)“大范圍首先”理論，由于拓?fù)湫再|(zhì)知覺是視覺的基礎(chǔ)，因此ipRGCs應(yīng)該能夠分辨拓?fù)湫再|(zhì)。

如果說，深度學(xué)習(xí)來自神經(jīng)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的啟發(fā)。那么，起源于特定細(xì)胞的超越腦區(qū)的全腦成像，將為新一代人工智能體系結(jié)構(gòu)提供深刻和豐富得多的啟發(fā)。

（3）認(rèn)知涌現(xiàn)的特有精神活動現(xiàn)象和計算涌現(xiàn)的特有信息處理現(xiàn)象的關(guān)系

如果意識是認(rèn)知涌現(xiàn)的一種特有現(xiàn)象，如何把人工智能是否會產(chǎn)生意識的直覺思辨式的討論，變成科學(xué)實驗的研究？

陳霖認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)在意識的認(rèn)知機智、意識的神經(jīng)表達(dá)、意識的進(jìn)化以及意識的異常等方面，開展比較研究。

（4）認(rèn)知的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的關(guān)系

無論是經(jīng)典的計算理論還是目前流行的貝葉斯計算理論，都認(rèn)為認(rèn)知過程的本質(zhì)是圖靈意義的離散符號的計算。計算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是圖靈機。

陳霖認(rèn)為，目前流行的基于計算概念的數(shù)學(xué)，不能滿意地解釋實驗發(fā)現(xiàn)的諸多亟待解釋的基本認(rèn)知現(xiàn)象，例如：知覺物體、組塊、時間格式塔、“大范圍首先”，不變性直接知覺，認(rèn)知偏向，意識涌現(xiàn)，ipRGCs的拓?fù)湫再|(zhì)分辨等。

對此，陳霖及其團(tuán)隊利用有限空間的代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)、Klein's Erlangen Program來理解和分析“大范圍首先”，并且正在提出和發(fā)展適合描述認(rèn)知的新的數(shù)學(xué)框架，包括認(rèn)知基本單元（概念格的“知覺物體”刻畫），認(rèn)知基本關(guān)系（半序的“容限”表征），認(rèn)知基本操作（泛拓?fù)涞恼J(rèn)知過程描述）的數(shù)學(xué)，以及探索“大范圍首先”的量子理論模型。

具體來說，Minsky的Perceptron平行計算模型奠定了分析高復(fù)雜性拓?fù)湫再|(zhì)計算和“大范圍首先”拓?fù)湫再|(zhì)知覺關(guān)系的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；Zeeman的容限空間代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)同調(diào)論奠定了“大范圍首先”的知覺組織的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；Klein的Erlangen的綱領(lǐng)奠定了“大范圍首先”的不變性直接知覺的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

認(rèn)知和計算的關(guān)系的研究使得數(shù)學(xué)與認(rèn)知在各自最本源地方相匯，這正是把煉金術(shù)轉(zhuǎn)化為化學(xué)，對新一代人工智能的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的探索。

發(fā)展認(rèn)知科學(xué)的三點布局建議

認(rèn)知和計算關(guān)系的問題需要長期探索，應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠掷m(xù)的支持。就認(rèn)知科學(xué)的學(xué)科特點，陳霖建議布局以下三個方面：

（1）重視認(rèn)知科學(xué)的新變量、新概念和新原則的研究。目前腦科學(xué)發(fā)展的一個趨勢是，腦的生物學(xué)數(shù)據(jù)前所未有地大量涌現(xiàn)，計算和信息的概念被普遍地借用到認(rèn)知過程的分析。但是一個相對被忽視的問題是，如何在認(rèn)知心理的層次來理解這些空前豐富的生物學(xué)層次的數(shù)據(jù)？這樣的問題超越了生物學(xué)的層次，必須要有認(rèn)知科學(xué)層次的、適合描述認(rèn)知的新概念和新原則來回答。

（2）人工智能的基礎(chǔ)研究應(yīng)當(dāng)強調(diào)系統(tǒng)、整體和行為的研究，應(yīng)當(dāng)人類為主，動物為輔；宏觀為主，結(jié)合微觀。

（3）認(rèn)知和計算的關(guān)系的問題，例如什么是認(rèn)知基本單元的問題，不能單靠物理的邏輯和計算的分析來解決，根本上只有通過實驗來回答。因此，人工智能的基礎(chǔ)研究要特別支持認(rèn)知科學(xué)的實驗研究，要注重認(rèn)知科學(xué)實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科交叉。

沒有嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)批評就沒有“大范圍首先”理論的今天

回顧過去30年來的研究，陳霖認(rèn)為，對“大范圍首先”理論的建立和系統(tǒng)的發(fā)展，是一條漫長而艱辛的道路。

嚴(yán)格、健康的科學(xué)批評文化對于科學(xué)的發(fā)展是至關(guān)重要的。如果不是一開始就進(jìn)入到國際水平的學(xué)術(shù)批評環(huán)境中接受嚴(yán)格甚至嚴(yán)酷的鍛煉，可能就沒有“大范圍首先”的拓?fù)湫再|(zhì)知覺理論的今天。

2003年，陳霖和同事在《科學(xué)》上發(fā)表有關(guān)拓?fù)渲X理論的腦成像的生物學(xué)證據(jù)的論文。為了發(fā)表這篇論文，陳霖和他的同事們花了近5年的時間，其中包括《科學(xué)》雜志的嚴(yán)格審稿過程，跟審稿人的多次討論，甚至補充新的實驗，陳霖笑稱這個過程就可以寫一本書。

與主流觀點相抗衡了近30 年，堅持下來的陳霖和他的同事們、研究生們，已經(jīng)不僅把這個理論應(yīng)用到視覺問題，而且成功地應(yīng)用到注意、記憶、意識乃至情緒等廣泛不同認(rèn)知層次的研究。陳霖表示，這樣廣泛的實驗證據(jù)可以說明，我們做對了一件事，就是經(jīng)過近30年的努力，我們找對了一個適合描述認(rèn)知心理過程的基本變量，即拓?fù)湫再|(zhì)定義的“知覺物體”可能是認(rèn)知過程操作的基本單元?！叭缃瘢覀兊睦碚撘堰M(jìn)入到‘說它不對比說它對還要困難’的階段。”陳霖自信地說。

參考資料

【1】微信公眾號“ 國仕薈”（ID：TEC-ORG），國仕薈【智庫】丨陳霖院士：三十年改寫認(rèn)知科學(xué)權(quán)威理論

【2】文章內(nèi)容整理自陳霖在CCHI 2018上的報告內(nèi)容，題目：《新一代人工智能的核心基礎(chǔ)科學(xué)問題：認(rèn)知和計算的關(guān)系》；部分內(nèi)容參考自：《為認(rèn)知科學(xué)打開一扇新的門——中科院院士陳霖提出拓?fù)湫再|(zhì)知覺理論30周年的啟示》，作者：吳晶晶，2012-11-12；《陳霖：三十年改寫認(rèn)知科學(xué)權(quán)威理論》，作者：姜靖，2009-04