? ? ?? 大腦中存在著很多層次。從層次的角度理解大腦，有希望構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的模型，解釋從神經(jīng)元層次到智能層次的各種現(xiàn)象。

? ? ?? 大腦對(duì)世界的信息進(jìn)行反映和處理，也就是大腦層次和世界層次產(chǎn)生聯(lián)系的過(guò)程。這兩個(gè)層次是解釋大腦時(shí)最宏觀的兩個(gè)層次，它們的基本聯(lián)系是：大腦反映了世界層次的大量信息，世界對(duì)大腦層次的反映是大腦本身和大腦活動(dòng)的影響?？梢钥吹酱竽X和世界是互相包含的，兩個(gè)層次糾纏在一起。這種糾纏是著名的自我指涉（self-reference）的體現(xiàn)。自我指涉體現(xiàn)在大腦的各個(gè)層次上，是從層次角度解釋大腦的關(guān)鍵。

? ? ?? 自我指涉的本質(zhì)是不同層次產(chǎn)生了直接聯(lián)系。例如“這句話(huà)是假話(huà)”，這句話(huà)是一個(gè)層次，這句話(huà)中的“這句話(huà)”是另一個(gè)層次。這句話(huà)層次包含了“這句話(huà)”層次，“這句話(huà)”層次又包含這句話(huà)層次，兩個(gè)層次緊密聯(lián)系產(chǎn)生了自我指涉。這個(gè)例子比較特殊，事實(shí)上任何兩個(gè)層次，只要存在聯(lián)系，便是自我指涉的推廣，例如兩個(gè)層次的某種性質(zhì)相似，因此產(chǎn)生聯(lián)系而產(chǎn)生某種程度上的自我指涉。

? ? ?? 自我指涉最重要的性質(zhì)是自我指涉，在層次上表現(xiàn)為層次的包含、疊加等關(guān)系。小層次可以由于聯(lián)系而構(gòu)成大層次。聯(lián)系不僅使小層次之間形成自我指涉，而且使小層次構(gòu)成大層次。這兩個(gè)作用（作為兩個(gè)層次）如果是同一種聯(lián)系導(dǎo)致的，那么聯(lián)系本身又構(gòu)成了自我指涉。大層次作為由層次構(gòu)成的層次，必然會(huì)反映小層次的一些性質(zhì)，小層次和大層次因此產(chǎn)生聯(lián)系，這是由聯(lián)系產(chǎn)生的聯(lián)系，或者說(shuō)是由自我指涉產(chǎn)生的自我指涉。大層次之間產(chǎn)生聯(lián)系其實(shí)很大程度上是內(nèi)部的小層次和對(duì)方的小層次產(chǎn)生聯(lián)系，但是又不完全如此，因?yàn)榇髮哟萎吘共恢皇切哟蔚亩逊e，其本身會(huì)產(chǎn)生新的性質(zhì)，也就是涌現(xiàn)（emergency）現(xiàn)象。

? ? ?? 自我指涉還有很多重要性質(zhì)，將在下文中結(jié)合具體例子分析。接下來(lái)將分別解釋神經(jīng)元的連接、信息處理和認(rèn)知模型三個(gè)主要層次中的自我指涉。

神經(jīng)元的連接

? ? ?? 大腦將信息保存在神經(jīng)元的連接中，這是至少兩個(gè)層次互相聯(lián)系的高效保存方式。突觸權(quán)重和神經(jīng)元閾值作為一個(gè)層次，神經(jīng)元的連接結(jié)構(gòu)作為另一個(gè)層次，兩個(gè)層次都存儲(chǔ)信息并且緊密聯(lián)系。沒(méi)有無(wú)權(quán)重的連接，也沒(méi)有無(wú)連接的權(quán)重；權(quán)重、閾值和連接的變化是互相影響的。神經(jīng)元的連接結(jié)構(gòu)不僅為神經(jīng)元安排位置，而且其本身便包含了大量信息。計(jì)算機(jī)的這兩個(gè)層次是分離的，信息主要以0、1序列保存，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)幾乎只是提供存儲(chǔ)信息的空間。因此，對(duì)于同一個(gè)場(chǎng)景的記錄，大腦就像是拍照，而計(jì)算機(jī)就像是用語(yǔ)言描述，計(jì)算機(jī)很容易漏掉重要信息，因此在一些需要“直覺(jué)”的工作上遠(yuǎn)不及大腦。不過(guò)計(jì)算機(jī)可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)這種層次聯(lián)系，例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和詞向量取得成功的很大原因便在于體現(xiàn)了數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)或關(guān)系信息，這樣的信息表征方式使信息更加完整和易于處理。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界的信息本身便是多層次的，很多信息只有通過(guò)信息之間的關(guān)系才能表現(xiàn)，有的甚至要通過(guò)關(guān)系的關(guān)系來(lái)表現(xiàn)。這體現(xiàn)了自我指涉的自我指涉性質(zhì)。

? ? ?? 赫布（Donald Hebb）提出，同一時(shí)間被激發(fā)的神經(jīng)元間的聯(lián)系會(huì)被強(qiáng)化。兩個(gè)神經(jīng)元作為兩個(gè)層次，聯(lián)系是同時(shí)激發(fā)。將時(shí)間劃分出層次，兩個(gè)神經(jīng)元如果激發(fā)時(shí)間不一樣就處于不同的時(shí)間層次，同一時(shí)間是兩個(gè)時(shí)間層次形成的自我指涉。如果只是激發(fā)時(shí)間相近，那就是自我指涉的推廣，相近的程度表現(xiàn)自我指涉的強(qiáng)度，會(huì)在神經(jīng)元的連接中表現(xiàn)出來(lái)，空間層次上也是同樣的道理。那么考慮層次的疊加問(wèn)題，顯然如果位置相近的神經(jīng)元同時(shí)激發(fā)，它們的聯(lián)系增強(qiáng)是最顯著的。雖然神經(jīng)元可以通過(guò)軸突和很遠(yuǎn)的神經(jīng)元聯(lián)系起來(lái)，但是這樣相連的神經(jīng)元和位置很近的神經(jīng)元還是不一樣的，因?yàn)榍罢咝枰拇罅抠Y源而一般不會(huì)被采用。這體現(xiàn)出層次的難以取代性，在空間層次上的不足，理論上是可以通過(guò)很多很長(zhǎng)的軸突來(lái)彌補(bǔ)，但是由于種種限制難以這樣彌補(bǔ)。這種難以取代性是非常常見(jiàn)的，其實(shí)通過(guò)神經(jīng)元的連接記錄信息的方式也可以被0、1序列取代，但是這樣就要記錄下大量的關(guān)系信息，處理起來(lái)也更加復(fù)雜，所以并不會(huì)這么做。

信息處理

? ? ?? 和大腦保存信息的方式不同，輸入的信息被轉(zhuǎn)換為動(dòng)作電位，但是即使是動(dòng)作電位也帶有結(jié)構(gòu)層次的信息，通過(guò)出現(xiàn)在特定位置和被特定神經(jīng)元發(fā)出實(shí)現(xiàn)。比如視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信號(hào)出現(xiàn)的位置不一樣，視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞發(fā)出的動(dòng)作電位反映不同的性質(zhì)。這就形成了信號(hào)的多層次表示，和通過(guò)神經(jīng)元的連接保存信息是一致的。

? ? ?? 現(xiàn)實(shí)世界的各種信號(hào)反映到大腦中都是動(dòng)作電位，只是模式的不同，而且相應(yīng)的，皮層具有通用性。對(duì)于大腦而言，不同感官的信息很大程度上是沒(méi)有區(qū)別的，因?yàn)樗鼈兌寄鼙煌挥?xùn)練過(guò)的皮層處理，只是在模式層次上不同，而模式層次是難以避免的劃分。雖然不同模式在很大程度上是一致的，但是沒(méi)有皮層能夠同時(shí)處理多種模式。這當(dāng)然可以理解為不同模式差別太大，但是更本質(zhì)的原因是劃分層次提高效率。

? ? ?? 大腦信息處理的整個(gè)過(guò)程是將現(xiàn)實(shí)世界的不同類(lèi)型的信息轉(zhuǎn)化為在一定層次上統(tǒng)一的信息（動(dòng)作電位和模式），然后在特定的功能區(qū)分別處理，最后再整合成對(duì)世界的感知。先在一定程度上消除不同類(lèi)型信息的差別，再分別以相似而有所不同的功能區(qū)處理，最后再匯聚。因?yàn)檫@是對(duì)客觀世界的各層次特性的充分反映，多種層次處理體現(xiàn)了事物的多種性質(zhì)，最后聯(lián)系為一個(gè)層次體現(xiàn)世界的整體性。

? ? ?? 大腦中的反饋非常普遍而重要，從神經(jīng)元到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都出現(xiàn)了大量反饋。反饋的本質(zhì)是一個(gè)層次對(duì)另一個(gè)層次施加影響，后一個(gè)層次又反過(guò)來(lái)影響前一個(gè)層次。而且兩種影響都可能經(jīng)過(guò)了很多層次后才出現(xiàn)。這引出了自我指涉的程度問(wèn)題，如前所述，自我指涉是有強(qiáng)弱的。事實(shí)上，最強(qiáng)的自我指涉是事物自己和自己的關(guān)系，其他自我指涉都是劃分出了新的層次產(chǎn)生的。再次以“這句話(huà)是假話(huà)”為例，“這句話(huà)”指代的是這句話(huà)，但是和這句話(huà)本身是不同層次了。指代就像分隔了一下，使“這句話(huà)”和這句話(huà)的聯(lián)系不那么直接了，雖然二者最終表達(dá)的都是這句話(huà)。分成兩層后自我指涉就削弱了，分成更多層的自我指涉就更弱，但是如果這些層次之間的聯(lián)系緊密，如同一個(gè)層次，自我指涉仍然可以很強(qiáng)。以反饋為例，一個(gè)層次的信號(hào)被下一個(gè)層次接收之后，下一個(gè)層次立即反過(guò)來(lái)影響上一個(gè)層次，這種自我指涉很強(qiáng)。如果經(jīng)過(guò)了很多層次再反過(guò)來(lái)影響，自我指涉一般就比較弱，除非經(jīng)過(guò)的這些層次聯(lián)系很緊密。同時(shí)反饋往往和時(shí)間有關(guān)，也就是經(jīng)過(guò)很多層次需要的時(shí)間也更長(zhǎng)，由于時(shí)間層次上的聯(lián)系不緊密而導(dǎo)致自我指涉比較弱。這和經(jīng)過(guò)很多層次導(dǎo)致自我指涉比較弱是一致的，再次體現(xiàn)了層次的疊加特性。

認(rèn)知模型

? ? ?? 大腦通過(guò)抽象的模型來(lái)認(rèn)知世界。整個(gè)反映到大腦的世界是一個(gè)最大的模型，這個(gè)模型是抽象的，世界上所有事物都被投影到這個(gè)模型中。更小的層次也是如此，大腦對(duì)每個(gè)事物都有一個(gè)原型（prototype）。以貓為例，雖然大腦中可能存儲(chǔ)了很多只貓，但是一定有一個(gè)貓的原型。這個(gè)原型在理解世界時(shí)不斷被調(diào)用，在看到貓的圖片時(shí)用這個(gè)原型進(jìn)行匹配，閱讀到貓的文章時(shí)，根據(jù)描述對(duì)原型進(jìn)行填充。除了事物，事件也有模型，即框架（frame）和腳本（script）。用手接住投來(lái)的球，大腦不是像目前的機(jī)器人一樣通過(guò)計(jì)算獲得球未來(lái)的位置，而是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建出的模型進(jìn)行匹配，同時(shí)根據(jù)真實(shí)信息進(jìn)行修正。

? ? ?? 模型也是有層次的，在世界模型和具體事物模型之間還有很多模型層次。比如“盒子”有一個(gè)模型，“正方體”也有一個(gè)模型，盒子模型并不是正方體模型填充的結(jié)果，雖然可以被劃分到正方體模型層次下。

? ? ?? 模型這個(gè)層次的意義是提高大腦對(duì)事物和事件的處理能力。如果沒(méi)有模型，只能和記憶中過(guò)去具體的例子進(jìn)行比較，那么很多本質(zhì)特征可能被忽略。在現(xiàn)實(shí)世界中，模型這個(gè)層次是不存在的，完全是大腦歸納總結(jié)而來(lái)的?，F(xiàn)實(shí)世界的每件事和每個(gè)物都可以作為一個(gè)層次，但是如果這樣劃分不利于理解和適應(yīng)世界，所以這些層次通過(guò)相似性聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成更大的層次。大腦非常擅于找規(guī)律，即使只見(jiàn)過(guò)少量例子也能抽象出模型，這和大腦的聯(lián)想能力密切相關(guān)。例如雖然很少見(jiàn)到老虎，但是見(jiàn)過(guò)貓或別的類(lèi)似動(dòng)物，這些動(dòng)物的模型對(duì)老虎的模型的構(gòu)建有很大作用。

? ? ?? 聯(lián)想的神經(jīng)基礎(chǔ)可能是不同事物有不同的神經(jīng)元集合，兩種事物聯(lián)系起來(lái)在于各自神經(jīng)元集合中的部分神經(jīng)元有聯(lián)系，這種聯(lián)系可以反映出兩種事物的緊密程度，但是如何反映出這種聯(lián)系是什么呢？就像魚(yú)和水，它們的關(guān)系自然是緊密的，但是更重要的是魚(yú)生活在水中，這種關(guān)系的表現(xiàn)是通過(guò)對(duì)兩個(gè)神經(jīng)元集合之間連接的解讀還是兩個(gè)神經(jīng)元集合均和表示“生活在”的神經(jīng)元集合連接呢？從層次的角度來(lái)看是前者，因?yàn)轸~(yú)和水的關(guān)系密切程度是一個(gè)層次，這種關(guān)系是什么是一個(gè)層次，這兩個(gè)層次是有密切聯(lián)系的，因此應(yīng)該由同一種模式（神經(jīng)元集合之間的連接）來(lái)體現(xiàn)。比如不可能兩個(gè)事物之間的關(guān)系是屬于，而它們的神經(jīng)元集合的連接很弱，神經(jīng)元集合的連接是同時(shí)體現(xiàn)多個(gè)層次的。

? ? ?? 我們?cè)诖竽X中充滿(mǎn)層次的前提下，通過(guò)對(duì)自我指涉性質(zhì)的分析，并且將其推廣，用層次聯(lián)系的方式統(tǒng)一解釋了大腦中各個(gè)層次的現(xiàn)象。層次之間的聯(lián)系非常豐富，把握層次的關(guān)鍵在于層次變化后還是層次，能夠用同一種方式分析。不同層次產(chǎn)生緊密聯(lián)系使大腦能夠高效保存和處理信息。層次是難以取代的，因此大腦充分利用層次的特性，使不同層次在某個(gè)目的上聯(lián)系起來(lái)。大腦在認(rèn)知世界時(shí)將世界劃分出層次，又通過(guò)聯(lián)想將不同層次聯(lián)系起來(lái)。

? ? ?? 大腦反映世界是最大的自我指涉，大腦內(nèi)部的各個(gè)層次都在這個(gè)自我指涉下。因此自我指涉是自上而下普遍存在的，只是在不同層次的表現(xiàn)有所不同。如果深刻理解了自我指涉，那么就能夠?qū)⒋竽X復(fù)雜的現(xiàn)象統(tǒng)一在一個(gè)模型中。本文只是提出了這種想法，通過(guò)有限的例子表現(xiàn)了自我指涉在大腦中的體現(xiàn)，其中更深刻的規(guī)律還有待進(jìn)一步探索。

作者：劉逸川