中國科學院研究生院科學發展的大趨勢人工智能的困惑知識科學腦科學心理學的研究認知科學智能科學

基本科學問題展望

內容提要

科學發展的大趨勢學科結構重心:從物理科學轉到生命科學

跨學科綜合研究滋生新科學社會的迫切需要科學發展大趨勢20世紀末,

生物信息學

生物信息學是采用信息科學、計算機科學、生物數學、比較生物學等學科的觀點和方法對生命的現象及其組成分子(核酸、蛋白等)進行研究，主要是研究生命中物質的組成、進化、結構與功能的規律、以及這些物質在生命體中能量和信息的交換或傳遞。該學科以計算機和生物電子設備為工具，對生物信息進行提取、儲存、加工和分析，用信息理論技術及生物數學的方法去理解和闡述生物大分子的存在和生命價值，最終對它們進行各種處理與應用。中國科學院對信息技術發展態勢的看法信息技術仍處在蓬勃發展期，20年內仍然是第一技術。在信息理論方面特別是借鑒腦科學成果的智能技術還處于起步階段。以編程方式工作的數字電子計算機技術已相當成熟，今后20年主要是應用與集成方面的創新。計算機技術的創新主要體現在系統級，系統級的創新包括大量的原始性創新。技術浪潮天文學（天問）推動農業、航海業物理化學（物問）推動能源、材料、信息技術生物學（命問）推動基因農業和基因藥物腦科學（腦問）推動下一輪智能技術浪潮技術創新浪潮的經濟長波規律（康德拉捷夫）第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮第四次浪潮第五次浪潮1785

1845

1900

195019901999

2020

創新步伐水力紡織鐵蒸汽鐵路鋼電化學品內燃機石油化學電子航空數字網絡軟件新媒體60年55年50年40年30年機械化鐵路化電氣化電子化數字化對21世紀技術創新浪潮長波的猜想第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮第四次浪潮1990

2020

2050

20802100創新步伐數字網絡軟件新媒體生物基因（蛋白質）納米材料腦科學智能技術？？？？？？智能科學21世紀,

智能科學

智能科學是一門交叉學科，主要由腦科學認知科學人工智能等學科共同研究智能行為的基本理論和實現技術。

人工智能的困惑

人工智能(artificialintelligence，或簡稱AI)，有時也稱作機器智能。1956年JohnMcCarthy在他的ProposalfortheDartmouthSummerResearchProjectOnArtificialIntelligence中首先引入了這個術語，他將人工智能定義為:“使一部機器的反應方式就像是一個人在行動時所依據的智能”。到目前為止，該領域中在基于預先定義好的系列規則之上的計算機模擬智能的方面,人們已經作了大量的工作。

智能機機器5th1642Pascalbuiltanaddingmachine1694Leibnitzreckoningmachine智能機機器1834CharlesBabbage’’sAnalyticalEngineAdawritesoftheengine,““TheAnalyticalEnginehasnopretensionswhatevertooriginateanything.Itcandowhateverweknowhowtoorderittoperform.””Thepictureisofamodelbuiltinthelate1800sbyBabbage’’ssonfromBabbage’sdrawings.20世世紀初初的數數學基基礎1900Hilbert’sprogramandtheefforttoformalizemathematics1931KurtG??del’’spaper,OnFormallyUndecidablePropositions1936AlanTuring’’spaper,OnComputableNumberswithanapplicationtotheEntscheidungsproblem布爾邏邏輯1848GeorgeBooleTheCalculusofLogicchocolateandnutsandmintchocolatenutsmintENIAC出現1945ENIACThefirstelectronicdigitalcomputer人工智智能的的發展展1950:AlanTuring的文文章““ComputingMachineryandIntelligence.”提提出圖圖靈測測試Mind,Vol.59,No.236,pp.433-4601955:Newell,Shaw和和Simon開開發了了IPL-11InformationProcessingLanguage第一個個AI語言言，能能夠處處理概概念1956:CIA資資助GAT項目目（GeorgetownAutomaticTranslation））1956:Newell,Shaw和和Simon的的““TheLogicTheorist”用IPL開開發，，證證明命命題邏邏輯的的命題題人工智智能的的發展展1958:Newell和和Simon的的四個個預測測十年內內，計計算機機將成成為世世界象象棋冠冠軍十年內內，計計算機機將發發現或或證明明有意意義的的數學學定理理十年內內，計計算機機將能能譜寫寫優美美的樂樂曲十年內內，計計算機機將能能實現現大多多數的的心理理學理理論1959:FrankRosenblatt提提出感感知器器模型型（PerceptionModel)1959:MITAILab正正式成成立（（Minsky和McCarthy））人工智智能的的發展展知識工工程時時期1981:日本政政府宣宣布日日本五五代機機（first-generationcomputer）計計劃（（即智智能計計算機機）1982:JohnHopfield掀掀起神神經網網絡的的研究究1983:MCC（（MicroelectronicsandComputerTechnologyCorporation）成立立（BobbyInman任任主任任）1984:DougLenat在在BobbyRayInman的的勸說說下在在MCC開開始Cyc的研研究1986:ThinkingMachinesInc研研制聯聯結機機器(ConnectionMachine)1987:LISP機機器市市場開開始暗暗淡1988:386芯片片使得得PC機速速度可可以與與LISP機器器媲美美人工智智能的的發展展分布智智能和和機器器學習習1992:日日本政政府宣宣布五五代機機計劃劃失敗敗。隨隨后啟啟動RWC計劃劃（RealWorldComputingProject））1993:Shoham提提出AOP,Agent-OrientedProgramming1995:Vapnik提提出SVM1996:中科科院計計算所所多主主體系系統MAPE1996:DARPA啟動動HPKB計劃劃軍事上上的““GrandChallenge””問題題分析析和求求解1997:IBM深深藍II(DeepBlue)擊擊敗GarryKasparov2000:中科科院計計算所所多主主體環環境MAGE,知識識發現現系統統MSMiner人工智智能的的困惑惑人工智智能困困難：：知識的的復雜雜性表達不不完整整知識識推理的的時空空爆炸炸性沒有可可靠的的理論論人工智智能的的五個基基本問問題知識與與概念念化是是否是是人工工智能能的核核心？？認知能能力能能否與與載體體分開開來研研究？？認知的的軌跡跡是否否可用用類自自然語語言來來描述述？學習能能力能能否與與認知知分開開來研研究？？所有的的認知知是否否有一一種統統一的的結構構？知識科科學知識科科學是是研究究以知知識為為對象象的基基本問問題，，包括括:知識的的數學學理論論邏輯基基礎知識模模型知識挖挖掘知識共共享等等腦科學學中國科學院腦科學學從分分子水水平、、細胞胞水平平、行行為水水平研研究腦腦結構,建立腦腦模型型，揭揭示自自然智智能機機理和腦本質質。硬件系系統心理學學中國科學院心理學學是研研究心心理現現象的的科學學。普通心心理學學研究究心理理現象象的一一般規規律。。專門研研究心心理活活動的的不同同過程程和心心理特特征的的不同同方面面的有有感覺覺知覺覺心理理學、、記憶憶心理理學、、思維維心理理學、、言語語心理理學、、個性性心理理學、、發展展心理理學、、創造造心理理學。。研究究不同同主體體的心心理現現象有有兒童童心理理學、、動物物心理理學、、生理理心理理學、、神經經心理理學、、病理理心理理學等等。研究社社會不不同領領域內內心理理活動動的規規律，，以提提高有有關方方面的的工作作效率率為主主要任任務的的有社社會心心理學學、政政治心心理學學、教教育心心理學學、軍軍事心心理學學、管管理心心理學學、商商業心心理學學、醫醫學心心理學學、藝藝術心心理學學、運運動心心理學學等。。心理學中國科學院最近幾十年年來，對復復雜行為的的理論主要要有三個派派別：新行為主義義格式塔心理理學派信息加工學學派心理學中國科學院新行為主義義強調客觀觀的實驗方方法，要求求對實驗嚴嚴格加以控控制，它的的方法是操操作主義的的，也就是是說其結果果能被別人人重復。行行為主義把把復雜的心心理現象化化為各個簡簡單部分，，并研究比比較簡單的的初級的現現象，也就就是所謂的的還原主義義。心理學中國科學院格式塔（Gastalt）心心理學是20世紀初初葉德國一一群實驗心心理學家開開始的運動動，開創先先鋒是韋特特海姆(MaxWertheimer)、考考夫卡(KurtKoffka)和和柯勒(WolfgangKohler)。。他們強調調研究復雜雜的心理現現象，而這這些現象有有時是很難難用客觀的的術語和客客觀的方法法加以描述述的。格式式塔心理學學認為經驗驗或行為的的本身是不不可分解的的，每一經經驗或行為為活動，都都自成為一一個特殊的的形態，且且有其一定定的特征或或屬性。一一個經驗或或行為一旦旦被分解成成若干部分分，則該經經驗或行為為原有形態態和屬性就就消失了。。換言之，，全體形態態和屬性并并不等于各各部分之和和。他們認認為在問題題解決的復復雜過程中中，不只靠靠簡單的嘗嘗試錯誤，，而且還要要通過頓悟悟。在研究究方法上，，格式塔心心理學主張張內省法和和客觀法并并用。主張張主要研究究知覺、思思維和解決決問題。心理學中國科學院認知心理學學是用信息息加工過程程來解釋人人的復雜行行為，它吸吸收了行為為主義和格格式塔心理理學的有益益成果。認認知心理學學也認為復復雜的現象象總要分解解成最基本本的部分才才能進行研研究。當給給被試刺激激時，他要要依靠頭腦腦中的經驗驗才能決定定做出什么么反應。所所謂經驗，，包括機體體的狀態和和記憶存儲儲的內容。。因此，刺刺激和被試試當前的心心理狀態這這二者共同同決定著被被試作出什什么反應。。下面我們們將要詳細細介紹認知知心理學產產生的背景景，為認知知科學的形形成奠定了了基礎。認知科學認知科學是是探索人類類的智力如如何由物質質產生和人人腦信息處處理的過程程。具體地地說，認知知科學是研研究人類的的認知和智智力的本質質和規律的的前沿科學學。認知科科學研究的的范圍包括括知覺、注注意、記憶憶、動作、、語言、推推理、思考考、意識乃乃至情感動動機在內的的各個層面面的認知活活動。為了了使信息向向知識的轉轉變由盲目目走向自覺覺、由經驗驗走向科學學，我們必必須研究和和理解人類類知識的認認知結構及及其過程。。軟件系統智能科學中國科學院人工智能用人工的方方法和技術術，模仿、、延伸和擴擴展人的智智能,實現機器智智能。仿真系統基本科學問問題(1)中國科學院神經活動的的基本過程程神經信號的的發生、轉轉導、傳導導、突觸傳傳遞等。神經遞質的的合成、維維持、釋放放及與受體體的相互作作用的研究究都取得了了令人矚目目的進展。。對神經元和和神經系統統發育的分分子機制的的研究19世紀未未葉，Cajal染染色法的發發明在技術術上為Cajal的的神經元學學說不得準準備了前提提條件。20世紀40年代末末期微電極極的發明，，開創了神神經生理研研究的新時時代，對神神經活動的的認識因此此出現了重重大的飛躍躍。基本科學問問題(2)中國科學院腦的感知過過程和知覺覺表達知覺信息的的表達是知知覺研究的的基本問題題，是研究究其它各個個層次認知知過程的基基礎。知覺覺過程是從從那里開始始的？外在在物理世界界的哪些變變量具有心心理學的知知覺意義？？作為知覺覺的計算模模型計算的的對象是什什么？現有腦成像像技術的時時間、空間間分辨能力力將大幅度度提高，新新的無創傷傷檢測腦活活動的技術術將進一步步發展起來來。基本科學問題題(3)中國科學院突觸可塑性與與記憶過程中中的信息處理理記憶在智能活活動中占有突突出的位置，，記憶能力也也是智能水平平的重要標志志之一。在內內容上，記憶憶可分為陳述述性記憶（包包括情景記憶憶和語義記憶憶等）和非陳陳述性記憶（（包括啟動效效應、運動技技巧、習慣等等）；在時間間上，記憶又又可分為感知知記憶、短時時記憶和長時時記憶。工作作記憶是一種種短時記憶，，它的功能是是短時間“在在線”式地保保存和處理信信息，是多種種高級認知功功能的核心環環節。基本科學問題題(4)中國科學院學習過程中的的信息處理，，感性認識與與理性認識的的相互關系學習在腦內如如何發生，是是神經生物學學的核心問題題之一。學習習導致神經系系統結構和功功能上的精細細修飾，形成成記憶痕跡。。揭示學習的的神經機制，，對理解人類類智力的本質質具有重大意意義。基本科學問題題(5)中國科學院語言加工的認認知機制語言的中樞表表象是什么？？語言加工的認認知和腦機制制理解和使用語語言是人類特特有的功能，，是人類意識識和意志表達達的基本途徑徑。漢語以其獨特特的詞法和句句法體系、文文字系統和語語音聲調系統統而顯著區別別于印歐語言言。從神經、認知知、和計算三三個層次上研研究漢語加工工和信息處理理是擺在我國國科學家面前前刻不容緩的的任務。基本科學問題題(6)中國科學院思維的認知機理思維是具有意意識的人腦對對于客觀現實實的本質屬性性、內部規律律性的自覺的的、間接的和和概括的反映映。通過研究不同同層次的思維維模型，研究究思維的規律律和方法,為為新型智能能信息處理系系統提供原理理和模型。近年來神經生生理學和腦科科學的研究成成果表明，腦腦的感知部分分，包括視覺覺、聽覺、運運動等腦皮層層區不僅具有有輸入/輸出出通道的功能能，而且具有有直接參與思思維的功能。。智能不僅是是運用知識，，通過推理解解決問題，智智能也處于感感知通道基本科學問題題(7)中國科學院智能的發展過程基于知識的方方法基于行為的方方法遺傳搜索方法法基于學習的方方法自主機器智能能發展基本科學問題題(8)中國科學院腦功能成像數數據庫的研究究及構建有中國人特色色的大腦標準準化方法。現現有的腦功能能成像數據庫庫基本上都是是基于Talairach坐標進行行標準化。要要對現有的數數據進行分析析研究，提出出有中國人特特色的，能夠夠體現大腦精精細結構差異異的大腦標準準化方法；超大規模腦功功能成像數據據的快速存取取技術；腦功能區劃分分（segmentation）的的方法和技術術；基于內容的層層次型腦功能能成像數據庫庫體系結構；；腦功能區的動動態變化的跟跟蹤、演示與與存儲。基本科學問題題(9)中國科學院情感系統情感（emotion））是人們對客客觀事物的主主觀態度和相相應的內心體體驗。情感活動與大大腦邊緣系統統和植物神經經系統有著重重要的聯系。。大腦皮層則則調節著情緒緒和情感的進進行，控制著著皮層下中樞樞的活動。包包括丘腦、下下丘腦、邊緣緣系統和網狀狀結構的機能能。動物實驗驗表明邊緣系系統的5-羥羥色胺和去甲甲腎上腺素含含量最高。并并對情感活動動的調節起重重要作用。基本科學問題題(10)中國科學院免疫系統免疫系統是生生物在長期進進化中與各種種致病因子的的不斷斗爭中中逐漸形成的的，在個體發發育中也需抗抗原的刺激才才能發育完善善。免疫系統統的功能主要要有兩方面：：識別和清除侵侵入機體的微微生物、異體體細胞或大分分子物質（抗抗原）監護機體內部部的穩定性，，清除表面抗抗原發生變化化的細胞（腫腫瘤細胞和病病毒感染的細細胞等）。基本科學問題題(11)中國科學院意識問題意識是人腦對對外部世界和和自身心理、、生理活動等等客觀事物的的覺知和控制制。意識問題題是對當代科科學的巨大挑挑戰。1879年現代心理學學建立以來，，意識就成為為心理學的主主要研究對象象。James認為，心理學學是研究意識識的科學。20世紀20年代興起的行行為主義心理理學，不承認認意識的存在在。50年代出現的認認知心理學重重新提出意識識問題基本科學問題題(12)中國科學院人工腦了解腦－搞清清腦活動機制制保護腦－征服服腦疾病創造腦一制造造人工腦計算算機展望中國科學院智能科學將探索智能的新概念新理論新方法新技術必將在21世世紀取得重大成就就Robotics-RoboCup1997––FirstofficialRob-CupsoccermatchPicturefrom2003competitionBrainComputerInterface,BCI(BrainMachineInterface,BMI)(HumanComputerInterface,HCI)Abrain-computerinterfaceisacommunicationsystemthatdoesnotdependonthebrain’snormaloutputpathwaysofperipheralnervesandmuscles.Actionsfromthoughts腦電波指揮計計算機：人腦腦與外界的交交流Actionsfromthoughts(Nature409,2001)

TheFirstInternationalBCIWorkshop,Juneof1999