人工智能基础:创造力、麦卡洛克与皮茨,以及神经元与数学的融合

2025-07-06 14:59:27
创造力常常被误解为从无到有地创造新事物,但本质上,它是指以陌生的方式看待熟悉的事物。无论是科学突破、艺术革新、喜剧感的诞生,还是精神蜕变,这一真理都同样适用。


当一位严谨的科学家或艺术家全身心投入到问题解决中,以至于问题渗透到他们的身心各处时,在某些条件下(并非完全由个人掌控),潜意识深处会浮现出新的连接,为问题带来全新的视角,解开原本难以逾越的结。阿瑟・库斯勒在其关于创造力的精彩研究《创造的行为》中,引入了 “双关联”(bisociation)一词来描述这种状态 —— 不同的参考框架或模式偶尔会碰撞或结合,为走出艺术瓶颈或解决科学难题提供全新见解。


我们将这类时刻称为 “尤里卡时刻”,还错误地将这些关键瞬间捧为 “不费吹灰之力的成果”。这两种看法都不准确。在突破发生之前,人们已经为解决问题投入了无数小时的持续努力;而这些意外连接的出现,要么是因为偶然接触到其他参考框架,要么是源于内心涌现的清晰洞见。无论哪种情况,正是这种全新视角帮助解决了问题。史书略去了挣扎的过程,只呈现突破的瞬间。当前的人工智能革命见证了多项源于跨学科连接的突破。然而,没有什么比 “大脑神经元的工作原理成为机器计算与人工智能建模基础” 的故事,更能体现创造力的力量。


“机器学习可以模仿大脑神经元” 这一想法,是两个独立参考框架的惊人融合:一个是生物学框架,另一个是数学框架。几个世纪以来,大脑一直是个谜(至今仍是)。19 世纪末,伟大的西班牙神经科学家圣地亚哥・拉蒙 - 卡哈尔透过显微镜,看到了前所未有的东西:一种特定类型的细胞 —— 神经元。卡哈尔的研究揭示,大脑并非如人们曾经认为的那样是一团杂乱的组织,而是由独特的单个神经元构成的网络,用查尔斯・谢灵顿爵士的不朽名言来说,这是一张 “迷人的织布机”。每个神经元一端接收输入,另一端发出信号。我们的思想、想象、意识和感知,都以某种方式与这些神经元的放电相关。但数十亿神经元的 “舞蹈” 如何孕育出内在的自我,以及它所感知的世界的同构映射,至今仍是个谜。卡哈尔的发现为他赢得了 1906 年诺贝尔生理学或医学奖,并为神经科学作为一门学科的快速发展奠定了基调。从数学角度看,罗素和怀特海的《数学原理》旨在将整个数学还原为其基本命题 —— 这些命题非 “真” 即 “假”,换句话说,是一种二元决策。《数学原理》试图在一系列此类二元选择的基础上,构建起数学的大厦。


两位才华横溢的人 —— 一位是经验丰富的哲学家兼神经生理学学生,另一位是极具数学天赋的离家少年 —— 在特殊环境下走到一起,重塑了我们对大脑的理解。前者 42 岁,是哲学家、心理学家兼神经生理学学生;后者 18 岁,从家里跑出来,数学天赋过人却毫无学术资历。沃伦・麦卡洛克与沃尔特・皮茨的合作、友谊与突破,将永远改变信息技术的格局。他们共同提出了首个心智的机械理论、首个神经科学计算理论、现代计算机的逻辑设计,并为如今席卷全球的人工智能奠定了基础。了解这两个人以及他们如何改变世界,至关重要。我们先从沃尔特・皮茨说起。


沃尔特・皮茨是底特律的一个男孩,自学了希腊语、拉丁语、逻辑学和数学。他的父亲总想用拳头阻止他上学,更希望他去工作。皮茨生性腼腆,害羞、内向的性格让他成了同学欺凌的目标。这个少年在家庭和学校中,都未因过人的天赋获得丝毫理解。图书馆是他唯一感到自在的地方,是他的避难所 —— 一个安静的知识圣地,让他能独自阅读和思考。


12 岁那年的一个寒冷下午,皮茨为了躲避欺凌者,冲进图书馆,藏在高耸的书架之间。夜幕降临,欺凌者早已把他忘在脑后,但他仍因害怕而不愿离开。他的目光落在一套三卷本著作上:伯特兰・罗素与阿尔弗雷德・怀特海的巨著《数学原理》。这部出版于 1910 至 1913 年的作品,试图将所有数学还原为逻辑 —— 即数学的第一原理。即便是经验丰富的数学家,《数学原理》也像是一座充满符号与晦涩表述的迷宫。众所周知,书中对 “1+1=2” 的证明出现在第 359 页。但对皮茨来说,《数学原理》不是障碍,而是邀请。他沉浸其中,在图书馆连续待了三天,读完了全部三卷。他不仅读完了全书,还发现了罗素推理中的逻辑漏洞。带着只有年轻人才能有的胆量,他给这位伟大的哲学家写了一封信,以极其精准的笔触指出了这些漏洞。


罗素向来是位谦和的学者,读完信后,对这一批评感到震惊。他回信邀请皮茨到剑桥大学,与他一起学习和工作。显然,皮茨去不了 —— 他才 12 岁。三年后,15 岁的皮茨得知罗素要到芝加哥大学参加会议,便决定是时候见他一面了。他半夜离家,没告诉任何人(在他短暂而不幸的一生中,再也没见过家人,也从未提及他们)。虽然离家让他找到了人生的方向,但从个人层面来说,这让他成了无根之人。在芝加哥,有一个人正不知不觉地等待着他 —— 这个人将是他余生中唯一信任、视为家人的人。回首往事,命运仿佛打出了最精妙的牌,让两个背景、教育和成长经历截然不同的人走到一起,引发了一场智力合作,开启了人工智能时代。


颇具讽刺的是,沃尔特・皮茨最终没能见到伯特兰・罗素。他在大学校园里打杂谋生,偶尔溜进教室听教授讲课。他结识了一位年轻的医学生杰罗姆・莱文,莱文把他介绍给了沃伦・麦卡洛克 —— 一位声誉卓著的中年教授,刚从耶鲁大学搬到芝加哥大学。这次介绍成了人类历史新纪元的转折点。


麦卡洛克自信满满,有着灰色的眼睛、浓密的胡须,烟不离手,既是哲学家又是诗人,爱喝威士忌和吃冰淇淋,从不早于凌晨 4 点睡觉。他和妻子露丝以及孩子们住在一个稳定富足的家里,这里成了芝加哥知识分子和文人的圣地,他们常常深夜聚集在此,热烈讨论一切话题 —— 从哲学、文学到当时正激烈进行的西班牙内战。尽管麦卡洛克是数学家、哲学家,还是受过训练的神经生理学家,但他本质上是一位哲学家,痴迷于意识这一深奥的谜团,以及思想的根基:思想是否如笛卡尔所认为的那样,与物质不同?或者,思想是物质的产物,若如此,它必定有其根基?这正是麦卡洛克苦苦思索的问题。麦卡洛克推崇 17 世纪博学家、牛顿的同时代人戈特弗里德・莱布尼茨的著作。莱布尼茨曾大胆设想过一种类似英文字母表的系统 —— 每个字母象征一个概念,通过对这些符号应用逻辑规则,所有人类思想都能被编码。麦卡洛克对神经元的理解让他相信,神经元处理信息的过程应该能用数学模型来表示。图灵刚刚发表的开创性论文表明,这种方法不仅可行,而且有望实现。


麦卡洛克发现,皮茨有着极强的严谨逻辑思维能力,能在复杂问题的表象中直击核心。当麦卡洛克向皮茨解释,他正尝试用莱布尼茨的 “字母汤” 理念和罗素《数学原理》中的二元方法,来建模一种机械计算过程时,皮茨深受触动。毕竟,两人都热爱并吃透了《数学原理》。他们在 “单个神经元可视为逻辑门” 这一概念中找到了共鸣 —— 用罗素的语言来说,这是一个能输出二元决策的命题:“是” 或 “否”,即电信号是否通过,这取决于输入的强度和对其执行的逻辑运算。


麦卡洛克一直苦于找不到合适的数学框架来描述神经元模型。他最初尝试使用的莱布尼茨逻辑演算涉及时间,而他的数学模型反复出现一个问题:神经元链中,某个神经元的输出会成为前一个神经元的输入,形成循环。在传统微积分中,时间是关键因素,这种循环在数学上是不可能的。皮茨知道解决方案:模算术(Modulo mathematics)—— 一个处理像时钟小时数那样循环数字的数学分支。


每天晚饭后,麦卡洛克和皮茨就把论文铺在餐桌上,彻夜不停地构建机械神经元模型。麦卡洛克的妻子露丝会悄悄收拾好东西,带女儿们去睡觉 —— 只有大女儿有时会坐在桌边,听他们讨论,画出父亲和皮茨争论的神经元结构示意图。这些图后来成了他们论文的一部分。


皮茨用数学向麦卡洛克证明,大脑中神经元的循环连接是不可避免的:闭合的循环形成记忆和概念抽象,而沿着链继续传递的循环则相当于数据处理的计算过程 —— 记忆和信息处理,这是大脑的两个关键功能。如今看来,这一见解似乎很简单,但在当时却是革命性的。从未有人将布尔代数、卡哈尔的神经元理论、罗素的《数学原理》和模算术联系起来。要构建神经元的机械等效模型,必须将所有这些领域融会贯通。这仍然是一个模型,一种理解大脑的方式 —— 就像尼尔斯・玻尔的原子模型是理解原子行为的一种方式。在这两个案例中,模型都验证了实证结果,而这正是科学的核心。


1943 年,两人合作迎来了决定性时刻 —— 他们共同发表了一篇改变现代科学进程的论文:《神经活动内在理念的逻辑演算》。这篇论文提出了首个人工神经网络模型 —— 一个数学框架,证明神经元可以执行类似图灵机的逻辑运算。他们指出,原则上(这一区分很重要,它是一个看似有效的模型),大脑可以被理解为一个逻辑系统,其中神经元像开关一样运作,根据输入决定 “开启” 或 “关闭”。这为人工神经网络提供了蓝图,而人工神经网络正是现代机器学习和人工智能的根基。


皮茨在麦卡洛克身上找到了成长过程中缺失的一切 —— 无条件的接纳、深厚的友谊、智力上的陪伴,以及他从未有过的父亲般的关怀。虽然皮茨只和麦卡洛克一家住了很短时间,但他余生都将麦卡洛克的家视为自己唯一的家。对麦卡洛克来说,他在皮茨身上找到了志同道合的灵魂 —— 一个敏锐的头脑让他的想法得以实现,或许,就像一个儿子。他在给皮茨的推荐信中写道:“我愿他永远与我同在。” 尽管在接下来的几十年里,皮茨与麦卡洛克、诺伯特・维纳以及冯・诺依曼都有过智力合作,但他始终是个内心饱受困扰的人。童年的创伤和情感上的孤立给了他难以磨灭的伤痕。尽管麦卡洛克尽己所能给予他关怀,但皮茨仍难以维系人际关系,从未真正融入任何地方。他作为思想家和逻辑学家的声望却堪称传奇。冯・诺依曼常说,只要皮茨审阅过一篇论文,就无需再做任何修改。他的学术诚信可见一斑。晚年的皮茨染上了酒瘾,变得更加孤僻。


1969 年,皮茨和麦卡洛克在几个月内相继去世 —— 皮茨死于肝硬化,麦卡洛克死于心脏病。皮茨去世时年仅 46 岁。在短暂的一生中,他带来的突破之多,令人难以置信。麦卡洛克和皮茨之间的智力纽带从未断裂。初次合作后,他们虽有分歧,也走上了不同的道路,但始终相互支持,合作到生命的最后一刻。


他们的遗产经久不衰。生成式人工智能的起源,正是源于这两个人的跨学科视野 —— 他们为计算奠定了基础。每当人工智能模型做出决策,每当神经网络识别人脸、翻译语言或模仿人类认知时,它都建立在这样两个人的成果之上:一个曾在图书馆安静的书架间寻求庇护、自学成才的少年,和一位敢于模仿大脑的中年哲学家。


作者简介:巴拉苏布拉马尼亚姆・N. 是 NIIT 卓越中心(COE)的副总裁,在咨询、培训以及 NoSQL 解决方案和数据科学架构领域拥有超过 25 年的专业经验。

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