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圖1 計(jì)算認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的目標(biāo)是通過(guò)生物學(xué)上可信的計(jì)算模型來(lái)解釋動(dòng)物和人類神經(jīng)元活動(dòng)和行為，從歷史上看，每個(gè)學(xué)科(圓圈)都解決了這些挑戰(zhàn)的一個(gè)子集(白色標(biāo)簽)，計(jì)算認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)力求同時(shí)應(yīng)對(duì)所有挑戰(zhàn)。

從計(jì)算層面理解大腦活動(dòng)的另外一種途徑是揭示每個(gè)腦區(qū)呈現(xiàn)了什么信息。簡(jiǎn)而言之，解碼模型能夠檢測(cè)出兩種刺激中的哪一種產(chǎn)生了我們所測(cè)量到的激活模式³。表征的內(nèi)容可以是識(shí)別感覺(jué)刺激（從一組備選的刺激中識(shí)別）、感知刺激的屬性（如光柵的朝向）或者是認(rèn)知操作和行為過(guò)程中所需要的抽象變量⁴。

解碼模型和其他類型的多變量模式分析方法有助于揭示區(qū)域所表征的具體內(nèi)容^5–8。然而，解碼特定信息的能力并不代表解釋了完整的神經(jīng)編碼過(guò)程：它沒(méi)有指定表示格式(線性解碼之外)或可能出現(xiàn)的其他信息。最重要的是，解碼器通常不構(gòu)成大腦計(jì)算的模型。

表征模型（Representational Models）

相較于解碼模型，該模型希望更詳盡的描述腦區(qū)的表征，解釋其對(duì)任意刺激的響應(yīng)。當(dāng)然，一個(gè)完整的解釋也依賴于可解碼的變量范圍，表征模型試圖做關(guān)于表征空間的綜合預(yù)測(cè)，因此該模型比解碼模型更多的受到計(jì)算理論的約束^9,10。

目前有三種類型的表征模型：編碼模型（EM）^11–13，模式成分模型（PCM）¹⁴和表征相似性分析（RSA）^15–17，這三種方法都用于檢驗(yàn)表征空間的假設(shè)。編碼模型，刺激間每個(gè)體素的激活被預(yù)測(cè)為模型中特征的線性組合；模式成分模型，描述表征空間的激活分布被模擬成一個(gè)多變量正態(tài)分布；表征相似性分析模型，表征空間被描述為由刺激誘發(fā)的激活模式的表征相異性。

為了建立理論和實(shí)驗(yàn)間更好的橋梁，我們首先需要一個(gè)明確的理論，這可以通過(guò)定義一個(gè)數(shù)學(xué)理論以及在計(jì)算模型中執(zhí)行它們來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算模型可以存在于不同的描述級(jí)別，在認(rèn)知保真性和生物保真性間權(quán)衡（圖2）。

如果模型僅考慮神經(jīng)元成分和動(dòng)態(tài)性，則可能難以解釋認(rèn)知加工過(guò)程（水平軸）；相反，如果模型僅考慮認(rèn)知功能，則可能很難和大腦活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)（垂直軸）。為了連接認(rèn)知和大腦，模型的建立必須同時(shí)考慮行為數(shù)據(jù)（反應(yīng)認(rèn)知過(guò)程）和神經(jīng)動(dòng)態(tài)兩個(gè)層面^18,19。

圖2 大腦信息加工過(guò)程的模型可以在不同描述層次上定義，它們的參數(shù)復(fù)雜度(點(diǎn)大小)、生物(水平軸)和認(rèn)知(垂直軸)保真度也可能不同。自下而上建模方法(藍(lán)色箭頭)首先捕捉生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征，如動(dòng)作電位和單個(gè)神經(jīng)元之間的相互作用，但這種方法忽略了認(rèn)知功能。自上而下方法(紅色箭頭)的目標(biāo)首先是在算法級(jí)捕獲認(rèn)知功能，這種方法不考慮生物實(shí)現(xiàn)，而是將信息處理底層任務(wù)性能分解為算法組件。這兩種方法形成了通往解釋大腦如何產(chǎn)生思維這一共同目標(biāo)的兩個(gè)極端?？偟膩?lái)說(shuō)，認(rèn)知和生物保真度之間存在權(quán)衡(負(fù)相關(guān))。由于智力需要豐富的外部世界知識(shí)，因而人腦信息處理模型的參數(shù)復(fù)雜度較高(右上角的大點(diǎn))。 該圖是概念圖，并不是基于對(duì)認(rèn)知保真度、生物保真度和模型復(fù)雜性的定量測(cè)量，目前還沒(méi)有確定的方法來(lái)衡量這三個(gè)變量，但可以幫助我們理解模型之間的關(guān)系，并理解它們的互補(bǔ)貢獻(xiàn)。 

在這個(gè)部分，我們來(lái)集中討論近期執(zhí)行任務(wù)計(jì)算模型上的成功，這些模型能夠在表征和算法上解釋人類認(rèn)知功能。執(zhí)行任務(wù)模型一直是心理物理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的核心，它們通常在行為數(shù)據(jù)上驗(yàn)證，最近也開(kāi)始用腦活動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。我們將依次考慮這兩大類模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和認(rèn)知模型。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(Neural network models)

和大腦一樣，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以執(zhí)行前饋和循環(huán)計(jì)算，包括多層的線性-非線性信號(hào)變換，一般有數(shù)百萬(wàn)個(gè)參數(shù)（連接權(quán)重），通過(guò)調(diào)參不斷優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行表現(xiàn)^20,21。

近期的研究已經(jīng)開(kāi)始將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為腦信息處理模型來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證^20,22。這些研究利用訓(xùn)練有素的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)識(shí)別圖像中物體，預(yù)測(cè)了靈長(zhǎng)類動(dòng)物的腹側(cè)視覺(jué)區(qū)在面對(duì)新異圖像時(shí)的大腦表征，結(jié)果表明，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部表征是當(dāng)前符合人類和猴子顳下回視覺(jué)圖像表征的最佳模型^23–25。

認(rèn)知模型（Cognitive Models）

目前有三類認(rèn)知模型：產(chǎn)生式系統(tǒng)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型和貝葉斯認(rèn)知模型。

產(chǎn)生式系統(tǒng)（production systems）提供了用于解釋推理和問(wèn)題解決的早期模型。一個(gè)“產(chǎn)生式系統(tǒng)”（production）是根據(jù)if-then規(guī)則促發(fā)的認(rèn)知行為，一組規(guī)則指定了某種條件下（“if”）對(duì)應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作（“then”）。特定的條件涉及當(dāng)前的目標(biāo)及記憶中知識(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)作能夠修改目標(biāo)和知識(shí)的內(nèi)部狀態(tài)²⁶。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型（Reinforcement learning models）捕獲agent如何通過(guò)與環(huán)境互動(dòng)來(lái)學(xué)習(xí)最大化累積獎(jiǎng)勵(lì)，選擇某種行動(dòng)，觀察環(huán)境的結(jié)果狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中獲得獎(jiǎng)勵(lì)進(jìn)而學(xué)習(xí)如何提高該行為的發(fā)生率，該agent可能學(xué)習(xí)了每種狀態(tài)與其期待的累積獎(jiǎng)勵(lì)相關(guān)聯(lián)的“價(jià)值函數(shù)”²⁷。強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論根源于心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)，目前已經(jīng)是機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的重要理論，包括動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP），蒙特卡羅學(xué)習(xí)（Monte-Carlo learning）和窮舉搜索（Exhaustive Search）等算法 ²⁸。

貝葉斯模型（Bayesian models），指的是根據(jù)概率規(guī)則將當(dāng)前數(shù)據(jù)與先前經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的推理模型，它有助于我們理解基本的感知覺(jué)和運(yùn)動(dòng)加工過(guò)程^29–31，也提供了對(duì)判斷和決策等更高的認(rèn)知過(guò)程的見(jiàn)解，將經(jīng)典認(rèn)知偏差解釋為先前假設(shè)的產(chǎn)物³²，從貝葉斯認(rèn)知的視角來(lái)看，人類思維從嬰兒時(shí)期開(kāi)始構(gòu)建關(guān)于世界的心智模型³³。這些模型不僅可以是概率意義上的生成模型，而且可能是有因果性和組合性的，能夠通過(guò)重新組合元素來(lái)將這種模擬推廣到新的假設(shè)的場(chǎng)景^33–35，這種建模方法已經(jīng)應(yīng)用于我們對(duì)物理^34,36,37乃至社會(huì)世界³⁸的推理。

Marr提出理解復(fù)雜生物系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)三層分析：計(jì)算水平；表征和算法水平；神經(jīng)生物學(xué)水平。認(rèn)知科學(xué)開(kāi)始于計(jì)算水平，將認(rèn)知功能分解各個(gè)成分，進(jìn)而從自上而下的角度發(fā)展算法和表征。計(jì)算神經(jīng)科學(xué)從自下而上的角度出發(fā)，將神經(jīng)元構(gòu)建塊組合成表征和算法。人工智能通過(guò)建立表征和算法來(lái)將簡(jiǎn)單的成分組合成復(fù)雜的智能。這三個(gè)學(xué)科匯聚在大腦和認(rèn)知的算法和表征上，進(jìn)而產(chǎn)生了互補(bǔ)約束。

在20瓦的電力預(yù)算下，大腦的算法將統(tǒng)計(jì)和計(jì)算效率結(jié)合起來(lái)，其方式超出了當(dāng)前的人工智能，無(wú)論是貝葉斯算法還是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。不過(guò)最近在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始探索貝葉斯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之間的交叉路口,將前者的統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì)(不確定性表征、概率推理、統(tǒng)計(jì)效率)與后者的計(jì)算優(yōu)勢(shì)(表征學(xué)習(xí)、萬(wàn)能近似定理、計(jì)算效率)相結(jié)合^39–41。

對(duì)心智和大腦的研究正進(jìn)入一個(gè)特別令人興奮的階段，如果認(rèn)知科學(xué)、計(jì)算神經(jīng)科學(xué)和人工智能能夠結(jié)合起來(lái)，我們或許能夠用神經(jīng)生物學(xué)上可信的計(jì)算模型來(lái)解釋人類的認(rèn)知，這不僅有助于我們更深刻的理解人腦信息加工的具體過(guò)程，也能在一定程度上為人工智能算法的發(fā)展提供有益啟示。

Nikolaus Kriegeskorte & Pamela K. Douglas. Cognitive computational neuroscience.Nature Neuroscience volume 21, pages1148–1160 (2018) 

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