圖模型認知表征與聯結主義

閆鼎

【摘要】文章通過對圖模型認知表征與聯結主義兩種認知模型理論的比較分析，闡明了二者之間的共同特征，即二者具有認知統一性、表征性、計算性、學習性，也闡明了二者間生物似真性和表征方式上的不同。二者間的互補學習，有助于探索更完善的認知模型理論。

【關鍵詞】圖模型；認知表征；聯結主義；認知統一

圖模型認知表征與聯結主義是認知哲學中解釋認知的兩種模型。圖模型認知表征理論開始于20世紀80年代，直至近年來才受到廣泛關注。圖模型認知表征理論主張用圖模型來對認知進行表征。對認知的聯結主義解釋同樣開始于20世紀80年代，自產生以來便受到廣泛關注。聯結主義認為，人類的認知結構類似于聯結主義網。通過比較，有助于清晰地看到二者之間的異同，發現新問題，并且二者間的互相補充也有利于更完善的認知模型的誕生。

一、圖模型認知表征與聯結主義

圖模型是一種數學計算工具，最近才被用于認知科學的研究[1]。在圖模型認知理論中，圖模型是共享表征庫中因果認知、基于概念、基于決策的認知等不同認知過程的共同運算結構，是認知統一的基礎。

圖模型是對相關關系的表征。圖模型的“圖”由“節點”和“邊”兩部分組成。即，它利用節點和邊來對定性關系進行編碼。例如，圖（a）是一個以DAG為基礎的圖模型，在這個圖模型中，A、B、C是節點，連接在它們之間的線段就是邊。從純數學視角來看，節點代表對象，邊代表對象之間的相關關系。這種相關關系有三種類型：一是有向邊（A→B）類型，二是無向邊（A―B）類型，三是雙向邊（A→B）類型。邊的方向表征了相關關系的不同方向。邊所連接的兩節點具有相鄰關系，也就是說，當且僅當兩點之間有一條邊時，這兩點是相鄰的。從語義學的視角來看，圖模型中的節點表征個體、變量等。邊表征直接的相關性，例如，直接原因、直接交流或社會聯系、直接的或或然的相關性或其他類型的直接關聯等。

在認知科學中，圖模型用來表征認知過程中的相關關系。例如，對“撞擊導致受傷，受傷導致感染”這種因果關系的認知，用圖模型對這種相關關系的認知表征是：撞擊→受傷→感染。目前，在圖模型認知表征理論中，大部分因果認知，基于概念和決策的認知是用圖模型來表征的。

聯結主義的本體論預設是，人類的認知產生于聯結主義網絡中。聯結主義最初始于這種觀察：人類的認知和行為特別復雜，而單個的神經元卻是受限的、簡單的。人類復雜的認知和行為不是產生于單個神經元，而是產生于神經網絡中眾多神經元相互作用的過程中。聯結主義的核心直覺是，通過建構神經網絡，可以推進對認知的理解。

聯結主義網絡由單元和聯結組成。單元類似于大腦中的神經元，聯結類似于神經元之間的相互作用。在一些基礎的聯結主義網絡中，單元構成層級。一般的聯結主義網絡有三個層級：輸入層、隱藏層和輸出層。聯結主義的一般工作機制是信息自上而下的流通，即，信息從聯結主義網絡之外給定輸入層的某些神經元，繼而導致神經元的激活狀態，然后經過隱藏層的加工到達輸出層。這其中，輸入層是隱藏層的原因，隱藏層是輸入層的結果；隱藏層是輸出層的原因，輸出層是隱藏層的結果。當然，輸出層也能將信息回饋到隱藏層，隱藏層將信息回饋到輸入層。聯結主義網絡已經解釋了不同的認知現象，包括概念的學習和推理、關系和關系概念、語言習得、語言困難、記憶系統和動力控制等。

二、聯結主義與圖模型認知表征的比較

聯結主義與圖模型認知表征有很多相似之處。第一，聯結主義和圖模型認知表征都有一個共同的理論目標——認知統一。聯結主義模型是一種以圖式為中心的認知統一徑路[3]。以圖式為中心的統一旨在用一般性的圖式或模型來解釋、預測多元的認知活動。聯結主義的圖式就是聯結主義網絡。也就是說，在聯結主義視域下，多元的認知活動都可以通過聯結主義網絡得到解釋。圖模型認知表征則是一種以共享表征為中心的認知統一路徑。圖模型認知表征假設人類所有的認知過程都發生在一個以圖模型為運算結構的共享表征庫中，并試圖以這個共享表征庫解釋所有的認知類型。第二，聯結主義和圖模型認知表征都支持用表征來解釋認知。對于聯結主義來說，表征是其理論要素的必要構成；對于圖模型認知表征，表征更是其理論的中心要素。第三，聯結主義和圖模型認知表征都具有強大的計算力。聯結主義的計算力體現在單元間的激活擴散。當一個單元被激活，與其相關的單元也會被激活，直到目標問題得到解決。圖模型認知表征的計算力主要體現在圖模型。圖模型本身就是強大的計算工具，對一個節點的計算，只需通過對相鄰節點的計算就能完成。第四，聯結主義和圖模型認知表征都具有學習能力。聯結主義的學習可以通過層次間的逆向反饋來完成，而圖模型認知表征的學習是通過節點的改變來重新構建圖模型來實現。

聯結主義與圖模型認知表征有兩個重大的差異。首先，相比圖模型認知表征，聯結主義網絡更具有生物上的似真性。聯結主義網絡雖然并不承諾本體論上的生物實在性，但其理論構建是受到神經元及其工作機制的激發，因此與真實的大腦有一定的相似性。并且，聯結主義網絡可以為基于一些認知活動的似真神經元提供制約作用。例如，如果一個特別結構的網絡沒有能力預測、解釋一些真實可觀察的經驗現象或行為，那么我們可以認為真實的大腦也不會有這種結構。而圖模型認知表征并未得到神經科學的證據表明人類的認知結構就是圖模型，也就不具有生物上的似真性。第二，聯結主義網絡和圖模型認知表征的表征方式不同，聯結主義網絡的表征方式是涌現的、分布式的。例如，對狗的概念的表征不是具體到某個個體神經元上，而是在整個聯結主義網絡中涌現出來的。這也就導致聯結主義主張沒有長久的、持續的心理客體在表征中起作用。它認為，認知之所以有明顯的、持久的結構，是因為世界的結構穩定性，而不是因為認知內部的結構穩定性。而在圖模型認知表征中，圖模型就是表征的穩定結構，它的認知表征是分離的符號，是長久的、持續的。

表征方式的不同，似乎是聯結主義網絡和圖模型認知表征之間不可調和的沖突。如果大腦的功能是聯結主義網絡的話，其表征方式是涌現的、分布式的，那么也就表明沒有持久的認知表征，也就是說，沒有節點、邊、圖這樣的心理客體存在。然而，這并不能真正構成聯結主義和圖模型認知表征之間的沖突，因為圖模型的表征是象征的、隱喻的，它并不承諾大腦真實的表征結構是圖模型，而是主張大部分人類的認知最好理解為圖模型。這與聯結主義非象征的表征并不沖突。并且，圖模型認知表征的框架可以合理地理解、預測和解釋人類的認知及行為，可以解釋聯結主義還不能解釋的認知現象，與聯結主義形成了理論上的互補。總之，聯結主義與圖模型認知表征并不是沖突的、無法調和的，而是兼容的、互補的。

【參考文獻】

[1]Danks，D.Unifying the Mind： Cognitive Representations as Graphical Models[M].Cambridge： The MIT Press， 2014.

[2]魏屹東.認知科學哲學問題研究[M].北京：科學出版社，2008.endprint