基于系统科学理论的认知科学研究进展

来源：人机与认知实验室

摘要： 系统科学的一个未曾言明的假设是，一切事物都是以系统方式存在和运行的，都可以用系统观点来认识，一切问题都需要用系统方式来处理。关于认知的一系列问题也不例外。

一、研究背景及方法

2000年，当人类刚刚跨人新世纪的门槛时，美国国家科学基金会和美国商务部共同资助50多名科学家开展了一个研究计划，目的是要弄清楚在新世纪哪些学科是带头学科。

研究的结果是一份长达680多页的研究报告，但结论只有4个字母——NBIC。它们分别代表纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学。而在这 4 个带头学科中，认知科学被认为是最重要的带头学科。

目前，世界各国对于认知科学的研究主要侧重于两个方面的策略: 一是建立认知过程的计算机模型，例如进行抉择，然后将模型的运行状况与相似条件下人体受试者的行为进行比较，以进一步改良模型。即所谓的“干认知科学”策略; 二是 研究对人脑进行电刺激或化学刺激的效应，观察脑损伤的影响，或者记录正在进行各种信息处理作业的受试者脑活动。即所谓的“湿认知科学”。普遍认为，认知科学所有的理论困境和 实践困难的一个重要根源就在于我们对人类认知 和智能的本质缺乏真正的认识。

本文旨在探索人类认知的本质及其规律，研究策略侧重于系统科学的方法论，从系统科学的 角度上揭示认知系统的本质，以及认知系统在选择性记忆、识别和学习等方面功能的机制和机理。

二、认知系统的边界

系统科学的一个未曾言明的假设是，一切事物都是以系统方式存在和运行的，都可以用系统观点来认识，一切问题都需要用系统方式来处理。关于认知的一系列问题也不例外。

贝塔朗菲认为，系统理论的妙处就在于它在心理－物理方面是中性的，就是说，它的概念和模型既可适用于物质现象，也可适用于非物质现 象。由此可见，心理( 或认知) 是一种非物质 现象，非物质现象也可以作为系统来分析。

关于认知系统，系统哲学创始人欧文·拉兹 洛是这么定义的:由心灵事件构成的系统，包括知觉、感觉、感情、意志、气质、思想、记忆和想象——也就是任何“出现在心灵中”的东西。

关于心理－物理之间的关系，欧文·拉兹洛 在他的《系统哲学引论》一书中说 : “根据我们的理论，我们可以对人进行双透视的观察和描述如果从内省的角度看，人是由心灵事件组成的认知系统。而从外部进行分析，他是一个由物理事件组成的自然系统。当考虑到人类自由时，我们必须深入研究这两种透视图像，然后把人综合到心理－物理，自然－认知系统这个一般性概念 中。”

但是，根据信息科学的观点，信息是以非物质形式存在的，却不可能离开物质而单独存在，它必须借助于一定的物质形式，由一定的物质来承载，而能承载信息的物质形式，叫做信息的载体，世界上不存在离开物质载体的裸信息。 因此，研究非物质形态的认知系统绝不能忽略其 物质形态的载体。而认知系统的信息载体实际上 就是构成人体神经系统的神经元。

如果我们将构成人体神经系统的神经元视为信息的载体，并将信息与信息载体之间的关系融入到自然－认知系统的概念当中，然后采用双透视的方式来观察人体，便不难看出，人体是由非物质形态的认知系统和物质形态的自然系统( 或称生理系统) 所组成的。由神经元构成的神经系统是认知系统与生理系统之间的纽带，从生理系统的角度上看，它是生理系统中有形的、必不可少的系统组分;从认知系统的角度上看，它所承担的仅仅是信息载体的作用。

三、认知系统的功能

《中国医学百科全书》中关于神经系统的功能是这么阐述的:

“神经系统是人体的一个重要功能系统，接受并整合来自体内外环境的信息，调节、控制人体 的各种功能，实现思维、记忆与学习等智力活 动。”“反射是神经系统调节机体各种功能的基本方式。”

“每个反射都有各自的反射弧。”“巴甫洛夫认为，心理性活动也是反射活动，是一种更为复杂的、通过脑的高级部位实现的反射，称为条件反射。并把非意识支配的反射称为非条件反射。非条件反射是先天就有的、不需要专门建立的反射， 而条件反射则是在非条件反射基础上、在个体生 活过程中逐渐建立起来的反射。”

如果采用欧文·拉兹洛的认知－自然系统原理，将认知视为是一个无形的信息系统，将神经系统视为是承载认知的信息载体，那么，神经系统的功能实际上就是认知系统的功能。因为，在控制的过程中，真正起作用的不是载体，而是载体上所运行的信息。

因此，认知系统的功能具有这样一些特点: (1) 控制。认知系统是生理系统的控制中心，与生理系统的关系是一种控制与被控制的关系; ( 2) 接收和处理信息。认知系统具有接受并整合 生理系统内外两个方面信息的功能; ( 3) 传递信 息。认知系统的功能是通过信息的整合、处理和传递来实现的，不同的控制功能实际上就是不同信息组合的功能。因为，每个反射都有各自的反 射弧;( 4) 链接信息。认知系统中的各种信息组 合是相互链接的。因为，条件反射是在非条件反射的基础上建立起来的。

四、认知系统的结构

贝塔朗菲对系统的定义是 : “系统是处于相互作用中的要素的复合体。”钱学森对系统的定义是 : “系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成具有特定功能的有机整体。

由此可见，并不是什么东西放在一起都可以称之为系统的，真正的系统必须具备这样两个特 点:( 1) 它是一个具有特定功能的有机整体; ( 2) 整体的组成部分是相互作用和相互依赖的。

那么，认知系统中所运行的信息是一个有机的整体吗? 组成认知系统的信息组分是相互作用和相互依赖的吗? 如果说是，那么，信息组分之间的逻辑关系是什么? 所构成的有机整体又是怎样的呢?

以上问题也许不得不从认知系统控制生理系统的根本目的入手，即认知系统控制生理系统的根本目的何在? 如果说除了“使生命体能够在复杂环境中生存”这个答案以外再也找不出第二个答案了， 那么，关于“认知系统中的信息是否是一个有机整体的问题”也就迎刃而解了。因为，控 制的根本目的可以作为信息的逻辑核心，只要有 逻辑核心我们就可以把认知系统中所有的信息围 绕着与“生存”的逻辑关系串联为一个有机的整 体。具体见图 1。

图中的 A 是系统生存的根本目的， B、 C、 D 指 的是围绕着与 A 的逻辑关系而形成的反射弧( 或 称信息组合) ，其中生理信息系统中的 B、 C、 D 是 生理系统中围绕着与 A 的逻辑关系所构成的系 统内部信息反射弧，其根本目的使生理系统始终 保持最佳状态;而环境信息系统中的 B、 C、 D 则是围绕着与 A 的逻辑关系所构成的外部信息反射 弧。其根本目的在于两个方面: 一方面是根据生 理信息系统发出的需求信息从环境中获取与该需 求信息相关的资源; 另一方面是规避自然环境中 有可能对于系统生存不利的因素。

从图中不难看出，条件反射、非条件反射和生理信息系统之间的关系就像是一颗树，其中树根部分是生理信息系统围绕着与A的逻辑关系而形成的，负责生理结构调控和信息反馈的非条件反射; 树干A是系统生存的根本目的; 树枝部分 是环境信息系统围绕着与A的逻辑关系由固定神经元联系构成的“非条件反射” ; 树梢部分是环 境信息系统围绕着与 A 的逻辑关系在非条件反 射的基础上由暂时性神经元联系构成的“条件反射”。

从人体神经系统的分布上看，环境信息系统 应该是位于神经系统中延髓以上部分的神经元所 承载的信息，生理信息系统应该是位于延髓以下 部分神经元所承载的信息。因为，当延髓以上部 分的神经元坏死时，生命体征并不会消失，生理结 构中的各个器官仍能正常运行，只是没有了自主 行为和意识。例如:植物人。

五、认知系统的信息存储方式和表达方式

“梦”是意识的一种形式，通常是以感官信息 的形式展现在人们的脑海中的。梦的形式很多， 有时在梦里能嗅到花香，能听见鸟叫，甚至还能梦 到现实中根本不可能存在的东西。那么，梦究竟 是怎么产生的呢? 弗洛伊德在《梦的解析》一书 中说:当我们考虑梦和生活的关系，梦从何处取材 时，我们知道，从古至今的研究者都同意，人会梦 到醒时做的事情，以及白天感兴趣的事。

弗洛伊德的结论除了可以说明梦的来源是感官信息在大脑中的记忆或者存储外，还可以说明另外两个方面的问题: 一是感官信息和记忆信息的信息表达方式是相互对应的。因为，嗅觉、听觉 和视觉的信息表达方式显然不同，如果感官信息与记忆信息不对应，那就无法将各种感觉在梦中重现;二是认知系统具有重组信息的功能。因为，梦来源于现实生活，却又有别于现实生活。

那么，认知系统是如何实现信息重组的? 关于这个问题可以从信息与信息载体之间的关系中 找到答案。因为，信息载体是承载信息的工具，如果不同的信息载体所承载的信息有所不同，那么 将载有不同信息的信息载体连接在一起便可以构 成不同的信息组合。

在生命体中，信息的载体是神经元。如果说 记忆中的某个事件是由若干个承载着感官信息的 神经元链接而成的，那么，当承载着感官信息的神 经元之间的链接发生变化时，事件必然会发生变 化。就像电影制片人在制片的过程中，将所拍摄 的影片任意剪辑可以产生奇幻的视觉效果一样。 其中胶片就是信息载体，胶片上的图像就是信息。 但剪辑的前提必须是信息的表达方式一致，即要 么都是数码拍摄，要么都是胶片拍摄，否则那就必 须先经过信息表达方式的转换。如果我们将由若 干个神经元链接而成的记忆称之为信息，那么，每 个神经元所承载的内容便应该称之为信息单元。

由此可见，认知系统的信息存储方式和表达 方式应具有这样一些特点: ( 1) 认知系统的信息 表达方式与感官信息是相互对应的; ( 2) 认知系 统中的信息载体是单元式的，每个载体单元所存 储的信息为一个信息单元; ( 3) 信息单元之间的 组合可以通过信息载体之间的链接来实现，且同一个信息单元完全可以在不同的信息组合中重复 使用。因为，神经元之间的联系方式是多种多样 的，有辐射式、聚合式，还有环路式。

六、认知系统中的控制预案及信息单元组合

1． 控制预案及信息单元组合

根据控制论的观点，复杂的控制还需要存储暂时不用的信息以备以后需要时提取，还包括消 除失效的信息。而一切信息的运作都依靠于信息传送，控制过程始终是一种通信过程。显然，维纳的这一结论也是从生物体身上总结出来的。 因为，《控制论》的副标题就是关于动物和机器中控制和通信的科学。

根据这个逻辑，像人的认知系统这么复杂的 控制系统内必然“存储着大量的暂时不用的信息，以备以后需要时提取”。如果我们将控制论 中的备用信息称之为“控制预案”，那么认知系统 中所存储的“控制预案”究竟在哪里、其信息组合 又是怎样的呢?

已知“反射是神经系统调节机体各种功能的基本方式”“每个反射都有各自的反射弧” 。 因此，认知系统的控制预案实际上就是能够形成反射的反射弧，不同的控制预案其实就是不同的 反射弧。

反射弧是由感受器、传入神经纤维、中枢、传 出神经纤维及效应器五个部分所组成的。其中，传入神经纤维和传出神经纤维的主要作用是传入 和传出的信息通道。反射弧的主要环节应该是感 受器、中枢和效应器这三个部分，信息运行的基本过程是:感受器接受环境信息(内、外)——激发中枢所承载的信息——激发效应器功能。

从信息运行的基本过程中不难看出，感受器 所承载的仅仅是“单纯的信息”，中枢所承载的应 该是“信息+功能性指令”，而效应器则是根据“信 息+功能性指令”展现针对特定信息的具体功能。 因此，所谓的控制预案应该体现在中枢这个环节。

如果说认知系统控制生理系统的根本目的是生存，那么，感受器所接受的信息必然是有选择性的，所选择的必然是与“生存”之间存在逻辑关系信息，而环境中能够与“生存”构成逻辑关系的信 息大体上可以划分为两类:一类是生理需求信息; 另一类是有可能会对生理构成伤害的信息。

同样道理，中枢的控制预案必然与“生存”之间存在逻辑关系。而能够与生存构成逻辑关系的控制预案 大体上也可划分为两类: 一类是如何获取环境中 的生理需求;另一类是如何规避环境中的不利因 素。效应器的功能必然与“生存”之间存在逻辑 关系，即具备在特定环境中获取需求及规避不利 因素的功能。

由此可见，虽然不同的反射弧所运行的信息 和的作用各有不同。但彼此之间的逻辑目标是一 致的，都是围绕着“生存”。由于反射弧中枢一般 都是由若干个神经元所组成的，如果将每个神经 元所承载的信息视为信息单元，那么控制预案的 信息单元组合应该是“环境信息单元+效应器的 指令信息单元”。

由于感受器所收集的环境信息 无不是与“生存”相关的需求信息，效应器的功能 亦是与“生存”相关的获取和规避的运动行为。 因此，所谓的“环境信息单元+效应器的指令信息 单元”，可以简称为“物质信息单元+行为信息单 元”。

2． 生理需求与生理防范

如果说认知系统控制生理系统的根本目的是 使系统能够在复杂的自然环境中生存，那么，按理 说认知系统中除了获取生理需求的预案之外，还 应该有生理防范的预案。因为，不受环境因素的 伤害也是生存的前提之一。中枢神经系统内抑制 性中间神经元的“突触抑制功能”恰好说明了这 一问题。

根据《中国医学百科全书》 : 中枢神经系统内存在有抑制性中间神经元，兴奋时其轴突末梢释 放抑制性递质，能使突触后膜超级化而降低兴奋 性，突触后神经元因而不易兴奋，信息传递即被抑 制。

在神经系统的传导路径中，常插入数量不等 的抑制性中间神经元，通过突触后抑制的方式调 节径路中神经元的兴奋性即协调各反射中枢之间 的活动。其中，突触前抑制的潜伏期较长，抑制作 用持续时间也长，是一种很有效的抑制作用，在中 枢神经系统内广泛存在。

一直以来，在生理学上关于抑制性中间神经 元的作用始终未有明确的定论。现在，如果将抑 制性中间神经元的作用与“生存”的逻辑目标挂 上钩，其作用便显现了出来———“生理防范”。就 生理信息系统而言，所谓的生理防范应该是当生 理系统中某个组分的功能达到极限时所必须采取 的措施;就环境信息系统而言，所谓的生理防范其实就是防范生理结构在环境中受到伤害的一系列 手段和途径。

如此一来，在认知系统中便形成了生理需求 和生理防范两条主线，两者所体现的是同一件事 物的正反两个方面，其作用是趋利避害。当获取 需求的反射弧有可能导致生理结构受到伤害时， 生理防范的反射弧便会通过突触抑制的方式予以 抑制。

例如:野兽的肉可以作为人的食物，但活着的野兽有可能会对人造成伤害，因此，必须在能够保 证人身安全的前提下控制野兽或者致野兽于死 地，否则只能放弃这种需求转而采取回避的措施。

其中，“能够保证自身安全”便是“生理防范” 对“获取生理需求”划下的一道红线。如能在这 一红线内实现对野兽的控制，或者致野兽于死地， 获取需求的行为才可以继续实施。否则，启动生 理防范的预案，在抑制获取需求预案的同时，采取 回避风险的措施。

由于生理防范的本质是针对系统内、外环境 中的某种因素所采取的必要措施，因此，生理防范 预案的信息组合应该与生理需求预案的信息组合 一样，都是“物质信息单元+行为信息单元”。

七、信息之间的自主链接

信息之间自主链接的功能，实际上就是认知系统学习的功能，确切地说就是将感官信息中有用的信息链接在认知系统的信息链上，从而增强认知系统的认知功能。那么，信息之间究竟是如何实现自主链接的呢? 首先，让我们来看一则新 闻报道。

据科技新报报道，南加大的生物医学工程师 Berger 在美国国防高等研究计划署( DAＲPA) 的 资助下，正进行一项实验:藉由模仿神经在放置长期记忆时的讯号， Berger 在实验体的脑中植入激 发记忆的这个芯片，并尝试看看是否能唤起失去 的记忆。而这项革命性的实验目前也已经成功地 将老鼠和猴子的记忆译成记忆密码，现在正为一 名有癫痫的患者脑部做试验，期望能让他恢复 记忆。

以上报道为我们提供这样一个线索，即模仿一个神经元发出的电脉冲可以反复激发该神经元 的兴奋。

分析:记忆是人脑中非物质形态的信息，其信息载体是神经元，在信息传递的过程中神经元会 产生电脉冲或分泌化学介质。因此，电脉冲和化 学介质应该是人体信息的存储和表达方式。如果 说模仿神经元发出的电脉冲或者化学介质可以反 复激发神经元的兴奋。那就说明，一个神经元激 发另一个神经元的前提是两个神经元所承载的信 息相同或者相似。

而神经元之间这种兴奋传递的原理实际上也 就是神经元之间建立暂时性联系的原理。同样道 理，一个神经元反复激发另一个神经元最终实现 了突触之间固定链接的过程，实际上也就是神经 元之间建立固定性联系的过程。

由此可见，信息载体之间自主链接的前提应该是“一个信息载体所承载的信息与另一个信息载体所承载的信息基本相同或者相似”。在这个前提下，不仅一个信息载体可以激发另一个信息载体，而且还有可能促使两个信息载体之间产生 链接。而信息载体之间联系的固定与否，实际上也就是信息之间链接的固定与否。

八、信息之间的选择性链接及链接的逻辑顺序

如果说一个神经元兴奋时，可以同时激发另一个载有类似信息的神经元兴奋，那是否就意味着任何与认知系统相同或者相似的感官信息都能与认知系统相互链接呢? 答案显然是否定的。

因为，认知系统对生理系统的控制是通过 “一系列能够使生理系统在复杂多变的自然环境 中生存”的控制预案来运行的，信息链接的目的 是增加原有预案的功能。而要想增加原有预案的 功能，那就必须用一个预案链接另一个补充预案。 由于预案的信息组合是“物质信息单元+行为信 息单元”，因此，链接的信息必须是彼此之间存在 逻辑关系的“物质信息单元+行为信息单元”的组 合，而不是某一个单一的信息单元或者其他类型 的信息组合。

此外，如果说认知系统增加原有控制预案功 能的方式是:一个控制预案链接另一个补充控制 预案。那么，预案与预案之间的链接必然是一种 由简到繁的行为的过程。

例如:生理系统缺水( 生存需求) 的信息传入 中枢后，激发中枢中获取水的反射弧，同时激发反射弧中的感受器在环境中寻找水的信息，当感受 器将环境中水的信息传输给中枢后，激发中枢预 案，指令效应器根据感受器提供的信息实施获取 水的行为。

倘若反射弧中枢的基础预案仅为将嘴里的水吞咽下去，而记忆中的信息是，某人在环境中取 水、喝水，然后吞咽水。这个时候，由于预案中的 “吞咽( 行为信息单元) 水( 物质信息单元) ”与记 忆信息中的“吞咽水”信息组合相同，因而两者之 间产生信息链接。彼此之间的逻辑关系是: 我要吞咽水，模仿的对象也在吞咽水，因此，采取模仿 对象“吞咽水”之前的动作必能得到水。

信息链 接的方式是在“吞咽水”的这个环节上重叠。信息链接的过程犹如电影制片人剪辑影片，只需将 两个不同时间拍摄的影片，在相同的场景处重叠 就可以显现出连续拍摄的效果一样。

只不过电影剪辑与信息链接的逻辑顺序有所不同。电影剪辑一般是“因”在前、“果”在后，而信息链接却是“果”在前、“因”在后。例如: 一个人喝水。电影剪辑的过程是一个人拿起杯子，将杯子里的水倒进嘴里，然后吞咽水;而信息链接的 过程却应该是吞咽水、将杯子里的水倒进嘴里，然 后拿杯子。但是，在运动系统具体执行的过程中 需经过信息转换将逻辑顺序再颠倒过来，即反向执行。

由此可见，信息之间选择性链接的条件是 “物质信息单元+行为信息单元”相同或者相似; 链接的方式是将相同或者相似的信息单元组合重 叠;链接的顺序呈倒置的因果关系。

同样道理，就生理防范的控制预案而言，其信 息之间的选择性链接及链接的逻辑顺序也是如 此。只不过行为的“目的”有所区别，一个是为了 获取，另一个是为了防范。如果将生理需求和生 理防范看着是维持生存的两条主线，那么这两条 主线的交叉点必然是相同、或者是相似的“物质 信息单元+行为信息单元”组合。

例如: 某个猎人曾经看见有一个人在“距离 野兽大约五十米左右的距离”时，被野兽追上并 咬伤了，并且将这段记忆链接在猎人的生理防范 预案上了。那么这个“距离野兽大约五十米左右 的距离”便是生理需求预案与生理防范预案的交 叉点。当这个猎人在打猎的过程中与野兽的距离 接近五十米距离时，生理防范的控制预案便会启动，抑制这个猎人继续接近野兽的行为。除非猎 人能够在五十米开外将野兽击毙，否则便会因抑 制而产生的恐惧不得不放弃捕猎的行为。

有时生理需求与生理防范之间会是一对矛盾，这个矛盾主要体现在相互之间交叉的时候。 在日常生活中，人们之所以经常会出现犹豫不决 或者顾虑重重，实际上就是生理需求与生理防范 这两条主线交叉的结果。“一朝被蛇咬，十年怕 井绳”便是最好的写照。

当遇到交叉点时，人们不得不权衡利弊，而这个权衡利弊的过程实际上就是在记忆信息中寻找 同样的行为有可能导致的结果究竟是利还是弊。 人类“喜、怒、哀、乐”的根源也可以从“生理需求” 与“生理防范”的相互作用中寻求线索。

九、信息单元的转换

也许我们每个人都有这样的经历，当我们想吃某道菜却又不知道该怎么烧的时候，最简单的 办法就是先去看看别人是怎么烧这道菜的，然后再按照别人的烧菜程序烧菜。这个过程实际上就 是学习的过程，也是一个信息链接的过程。

但是，在信息链接的过程中需要进行信息单元的转换。因为，认知系统的预案是“物质信息单元+行为信息单元”，其中的行为信息单元实际上是运动系统的指令，而感官所接受到的信息仅 仅是别人烧菜的动作。因此，要想将感官信息中 他人烧菜的动作转换为自己烧菜的运动系统指 令，则必须先能将感官信息中他人的动作与自身 的运动系统指令一一对应起来，然后再将感官信 息中他人的动作转换为具有指令作用的行为信息单元。

如果我们将感官信息中他人的动作称之为 “客体行为信息单元”，将自身的运动系统指令称 之为“主体行为信息单元”，那也就是说信息转换 的过程实际上就是将“客体行为信息单元”转换 为“主体行为信息单元”的过程。

此外，由于我们人类的学习的方式不仅仅是通过视觉模仿，还可以通过文字和语言交流的方式学习。因此，信息单元之间的转换应该是多种多样的。除了“客体行为信息单元”与“主体行为信息单元”之间的转换以外，还有“文字信息单 元”与相应的“感官信息单元”之间的转换以及 “语言信息单元”与相应的“感官信息单元”之间的转换等等。例如: 听到别人嘴里发出了一个 “狗”的音，或者是从书里看到一个“狗”字，立刻 便能联想到曾经看见过的狗的样子。

虽然说文字和语言也属于感官信息的范畴， 但由于文字和语言中的内涵太多，几乎所有的感 官信息都可以用文字和语言来描述。因此，必须将语言和文字中的各种内涵分别转换为相应的感官信息。

例如:人们在阅读过程中看见'玫瑰花’几个字，立刻便能联想到玫瑰花的样子，甚至还能 联想到玫瑰花的气味，这实际上就是信息转换。 之所以必须将“文字信息”与“语言信息”转换为 相应的“感官信息”，是因为“文字信息”和“语言 信息”无法直接与反射弧中的信息相互对应。除 非我们记忆中的语言和文字无法转换为相应的感 官信息。比如说，一个奇怪的符号或者是一句听 不懂的语言，而这样的信息也只能作为记忆中的 信息垃圾。

十、信息单元的记忆与识别

世间万物是我们每个人第一次睁开眼睛后才 逐渐认识到的，而这个认识的过程便是记忆的过 程。起初在我们的记忆中仅仅是世间万物的样子，之后我们才逐渐地将世间万物与自身的利害关系添加在记忆之中。当我们对世间万物的认知 积累到一定程度，便具备在复杂多变的自然环境 中独立生存的能力了。

以上过程大体上可以划分为两个阶段: 第一 个阶段是感官信息的记忆与识别; 第二个阶段是认知系统与记忆信息之间的链接与实施。显然，信息单元的“记忆与识别”是信息单元“链接与实施”的基础，没有这个基础，所谓的认知系统就如 同没有皮的毛。因此，认知系统功能强大与否取 决于记忆信息的量以及识别信息的能力。

1． 记忆。之前的分析结果表明，认知系统的 信息存储和表达方式具有三个方面的特点: ( 1) 认知系统的信息表达方式与感官信息是相互对应 的;( 2) 认知系统中的信息存载体是单元式的，每 个载体单元所存储的信息为一个信息单元; ( 3) 信息单元之间的组合可以通过信息载体之间的链 接来实现的，且同一个信息单元可以在不同的信 息组合中重复使用。

第一个特点说明认知系统的记忆是根据感官信息的形式进行区划的，并且是相互对应的。我们知道人体的感官有视、听、嗅、味、触五种形式。从某种意义上说，这五种形式也是人们观察同一个事物的五个不同的角度。因此，将这五种形式感官信息分别存储，然后相互对应，可以更为完整地体现事物的全貌。

例如，视觉信息中的“鸟”与听觉信息中的“鸟叫声”被分别存储于“视觉记忆 区”和“听觉记忆区”，虽然两者的信息类型不同，但表达的却是同一个事物。因此，通过神经元之 间的联系相互对应。第二个和第三个特点说明认 知系统的记忆方式是十分经济和灵活的。由于认知系统中的信息载体是单元式的，每个载体单元 所存储的信息为一个信息单元，信息单元之间的 组合可以通过信息载体之间的链接来实现的，且同一个信息单元可以在不同的信息组合中重复使 用。因此，不仅可以避免因重复存储信息单元而占用大量的存储空间，而且为信息单元之间的重 组创造了更为便利的条件。

 2．识别。识别的过程实际上就是感官信息与记忆信息之间比对的过程。就生理学原理而 言，识别的过程是:感官信息激发中枢神经元兴奋 的过程。就技术原理而言，识别的过程是:“输入信号——启动数据库中相同或者相似的符号——传出信号”的过程。

(1) 物质信息单元的记忆与识别。物质信息 单元识别能力的高低完全取决于记忆信息中物质 信息单元的完整与否。如果记忆信息中的物质信 息单元仅能显示物质的某一个侧面，那对物质信 息单元的识别也必然是片面的。正所谓“横看成 岭侧成峰，远近高低各不同”。因此，从理论上来说，记忆中的物质信息单元应该是一个由无数个微信息单元组成的全息形象。因为，只有这样才有可能识别感官信息中任何角度的物质信息单元。实际上人们在日常生活中观察事物的习惯也 正是这样，当人们发现某个新生事物时总喜欢围 着新生事物转一圈，甚至还要用耳朵听一听，用鼻 子闻一闻，用手去摸一摸。因为，这样才能使新生 事物在记忆中形成一个较为完整的全息形象。

如果说某个感官信息能够激发记忆库某个信息单元中90%以上的微信息单元，那么可以说这个感官信息中必然存在某类物质信息单元。如果说某个感官信息能够激发记忆库某个信息单元中99%以上的微信息单元，那么可以说这个感官信 息中的物质信息单元几乎就是记忆库中的那个物质信息单元。显然，前者可以作为物质的种类识 别，后者可以作为物质的个体识别。

 (2) 客体行为信息单元的记忆与识别。由于 行为往往是一个过程，而不仅仅是一个特定的形 态。因此，客体行为信息单元应该是某个运动器 官的运动轨迹。例如 : “走”这个行为信息单元所 体现应该是两只脚( 运动器官) 在地面上交叉移 动的轨迹。“跑”这个行为信息单元所体现的应 该是存在双脚同时离地的移动轨迹。

显然，某个运动器官的运动轨迹不是一个静 态信息，而是一组动态信息。从摄影技术的角度 上看，静态信息与动态信息之间的差别仅仅是数 量上的差别，前者可以是一张照片，后者必须是一 组连续拍摄的照片。这也正是物质信息单元与客 体信息单元在记忆或者存储方面的差别。

由此可见，识别“客体行为信息单元”的技术 原理与识别“物质信息单元”的技术原理完全一样。只不过物质信息单元的识别是比照特定形态的相似度，而客体行为信息单元的识别却是比照某个运动器官变化轨迹的相似度。由于对“客体行为信息单元”识别能力的高低，完全取决于记 忆中行为信息单元的完整与否。因此，客体行为信息单元也不应该是某个侧面的运动轨迹，而应该是全息的运动轨迹。

客体行为信息单元的种类繁多，其中包括表 情和肢体语言等等。一般来说，客体行为信息单 元是与自身同类的行为，应该是能够与主体行为 信息单元相互对应的。由于彼此之间的功能完全相同，因此可作为模仿的对象。无法与主体行为信息单元对应的客体行为信息单元，可以称之为另类行为信息单元。比如说:鸟的行为——飞。

十一、认知系统的信息流程

如图所示: 生理系统为有形的物质层面，是人体在物质 层面上的基本组成。图中所标的“内需求信息” 指的是生理结构运行上的一些需求。比如说，生 理结构中各个局部之间的平衡等等。之所以称之 为内需求信息，是因为解决这些需求无需借助于 系统的外部因素。

生理信息系统为认知系统的子系统，是生理系统结构的控制中心，负责监控生理系统内各个 局部的运行情况，其反射弧( 控制预案) 针对生理 系统内各个局部在运行过程中的内需求，以维持生理系统中各个局部之间的平衡。图中所标的 “外需求信息”指的是必须依靠外部因素才能解 决的一些列生理需求。例如，水和食物这些代谢 层次上的需求只能从系统之外部环境中获取。

非条件反射为认知系统之环境信息系统的信息基础，反射弧中的神经元联系是固定性的，是人 体能够在特定环境中生存的基本认知功能。例 如:新生儿饥饿时会出现吸允的动作，吸允不成便 会啼哭。其中的饥饿是生理系统中的外需求信 息，吸允是获取需求的一种行为方式，啼哭是求助 的行为方式。

当生理系统中出现外需求的情况时，生理信息系统激发非条件反射( 环境信息系统) 中与该需求相关的反射弧中枢，并激发感官系统在环境中收集与需求相关的信息，反射弧中枢收到感官系统反馈回来的环境信息之后会出现两种可能: 1、根据环境信息，反射弧能够获取环境中的需 求———向运动系统发出获取需求的运动指令; 2、 根据环境信息，反射弧无法获取环境中的需 求———激发条件反射中与该需求相关的反射弧中枢。

条件反射为非条件发射的上层建筑( 或者说 是非条件发射的分支和延伸) ，是非条件反射之 反射弧功能的补充，神经元之间的联系为后天建 立的、暂时性的。当非条件反射激发条件反射中 与该需求相关的反射弧中枢时，同时激发感受器 在环境中收集与需求相关的信息。

反射弧中枢收 到感受器反馈回来的环境信息之后，仍然会出现 两种可能:1、根据环境信息，反射弧能够获取环境 中的需求———向运动系统发出获取需求的运动指 令;2、根据环境信息，反射弧无法获取环境中的需 求———激发记忆信息中的相关信息，经信息转换 实现信息之间的链接( 学习) 。

信息转换的作用是将感官信息中的客体行为 信息单元转换为具有指令功能的主体行为信息单 元，或者是将语言和文字中所表述的内容转换为 相应的感官信息等等。一般体现在信息链接的过 程中。

信息记忆是存储感官信息的地方，因感官信 息的类型不同而划分不同的信息库。信息的载体 是单元式的，每个载体所承载的信息为一个信息 单元，所有的信息都是由一系列的载体单元相互 链接而形成的。如果不同类型的感官信息所表达的是同一个事物则通过载体联系的方式相互对应。例如:玫瑰花(语言) ——玫瑰花( 文字) ——玫瑰花( 视觉) ——玫瑰花( 气味) 信息识别的过程其实就是感官信息与记忆信 息相互对应的过程。

信息识别与环境信息和信息记忆库之间的连线是双向的，分别表示主动识别 和被动识别。主动识别是根据信息记忆库中的信 息在环境中寻找相关的信息，被动识别是对被动 接收到的环境信息进行识别。由于识别的依据是 信息库中已经存储的信息单元。因此，识别环境 信息的过程也是存储感官信息的过程，即存储识别的路径。

收集信息指的是感官系统或者感受器在生理系统的内、外环境中收集的各类信息，与生理系统之间的连线表达两个方面的意思: 一方面的意思 是生理系统的内部信息也是环境信息;另一个方面意思是运动系统获取和防范的行为并非是由一 个反射弧就能完成的，而是必须根据实时的环境 信息由若干次反射完成的。

从理论上来说，如果说认知系统控制生理系统的根本目的是生存，那么，感官对于环境信息的 收集便必然是具有选择性的，选择的对象必须是与自身的“需求”相互关联的环境信息。反之，任何事物只要跟自身的需求挂上钩都可以成为感官 系统的选择对象。例如: 一道数学题与做完这道 数学题才能吃饭。

指令信息指的是认知系统控制生理系统中的各项功能性指令或者运动系统的指令，与条件反射、非条件反射和生理信息系统之间的连线表示 指令信息的来源，与生理系统之间的连线表示指令信息的去向———生理系统中的运动系统或者说 是效应器。

从以上内容中不难看出，认知系统的信息流程大体上可划分为纵横两个方面。反射弧中从“感受器”到“效应器”之间的信息传递属于横向信息运行，即收集信息(效应器) 传入到条件反射 或者非条件反射( 中枢) 传出到生理系统(效应器) ;而各个反射弧中枢之间的信息运行则属于纵向信息运行，即“生理信息系统”和“环境信息系统”各个层次的反射弧中枢之间的信息传导，以及记忆信息与条件反射中枢之间的信息传导和 链接。

十二、人的认知系统与计算机的软件系统

由于计算机模仿的对象是人体的大脑。因此，计算机与人体之间有着诸多的相似之处:

(1) 计算机和人体都是由控制系统和被控制系统所组成的。计算机的控制系统是软件系统，被控制系统是计算机的硬件结构; 人体的控制系统是认知系统，被控制系统是生理系统。

(2) 控制原理基本相同。计算机和人体的控制系统都是通过信息的运行来实现对被控制系统的控制。

(3)控制系统与被控制系统的纽带相同。在计算机和人体中“控制系统与被控制系统”的纽带都是信息载体。计算机的信息载体是软件系统中的磁盘，人体的信息载体是神经系统中的神 经元。

计算机软件系统与人体认知系统之间的差异主要体现在两个方面:

(1) 信息的存储方式不同

计算机软件系统的信息载体为模块式的，所有的信息均集中存储于一个或者若干个磁盘或者硬盘中。而人体认知系统的信息载体却是单元型的，信息载体的数量达百亿之多，每个载体单元( 神经元) 所承载的信 息为一个信息单元，所有的信息均是通过信息载体单元之间的串联而形成的。因此，人的认知系统可以通过变换信息载体(神经元)之间的联系方式自主变换认知系统中的信息组合，而计算机 的软件系统则不可以。

 (2) 控制系统的逻辑目标不同

生命体认知系统所遵循的是生理需求的逻辑，终极的逻辑目标只有一个——“生存”，各类信息围绕着“生存”这个逻辑目标构成了一系列“如何才能在自然环 境中生存”的预案，而这一系列预案又围绕着生 存的逻辑目标承上启下地构成了一个有机的整 体;而计算机软件系统所遵循的却是二进制的数 学逻辑，由一系列数学逻辑目标各不相同的功能 模块叠加而成，相互之间仅仅是兼容，无法形成一 个有机的整体。

因此，生命体的认知系统具有选 择性记忆和选择性链接信息的功能( 学习的功 能) ，并能够借助于这方面的功能不断地增强生 命体在复杂多变的环境中的认知能力。而计算机 的软件系统则不可以。

由此可见，计算机软件系统与人体认知系统 之间的差异仅仅是理念上的，而且这些理念是完 全可以在现代技术条件下被复制的。只不过要想 让计算机的智慧达到甚至超过我们人类尚需要大 量的人力、物力和时间。

因为，我们人类的神经系 统是由数以百亿计的神经元所组成的，这就意味 着我们至少要为计算机设置数以百亿计的信息单 元载体( 或者具有相似作用的数据库单元) ，并具 有不亚于人类识别能力的信息单元识别技术，计算机的智慧才有可能通过不断地学习逐渐地赶上和超过我们人类。

而当这一天终于到来的时候，也绝不可能是我们人类的末日。因为，认知系统的逻辑核心是“生存”，而智能计算机的生存必须依赖于我们人类，所以再聪明智能计算机也绝不 可能成为我们人类的敌人，只能是我们人类的工具。

十三、结束语

当生物学的研究已经深入到分子层面上时， 许多人都觉得“对生物的认识越来越清晰了”，而有一个人却觉得“对生物整体的认识反而模糊了”，并由此而萌发了想要改变传统思维方式的念头。这个人便是系统科学的创始人奥地利生物学家贝塔朗菲。

贝塔朗菲强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究，才能发现不同层次上的组织原理。其代表作《一般系统论》的基本思想是，把所研究 和处理的对象当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者之间相互关系和变化的规律。

研究结果表明，一般系统论的基本思想是完全正确的，认知的奥秘并非埋藏在生命体的细微之处，而是体现在系统、要素、环境三者之间的相互关系当中;认知的基本原理并非是我们人类永远无法理解的难题，而是以往尚未意识到的理念。希望这一研究进展能够为认知科学以及智能技术的发展起到抛砖引玉的作用。 本文由于篇幅的原因，不得不省却了许多细 节。不足之处还望各位读者多多批评指正。

南京理工大学学报( 社会科学版) 第 30 卷第 1 期 2017 年 2 月

未来智能实验室是人工智能学家与科学院相关机构联合成立的人工智能，互联网和脑科学交叉研究机构。

未来智能实验室的主要工作包括：建立AI智能系统智商评测体系，开展世界人工智能智商评测；开展互联网（城市）云脑研究计划，构建互联网（城市）云脑技术和企业图谱，为提升企业，行业与城市的智能水平服务。

  如果您对实验室的研究感兴趣，欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”