電腦科學與腦科學的跨界經典

◎人工智慧先驅馮紐曼的遺世思想

◎深度學習必讀經典

電腦真的能像人腦一樣思考嗎?

近年來,深度學習與人工智慧的發展都在試圖讓電腦的行為模式愈來愈接近真實的大腦,讓許多人開始好奇電腦是否真的能和大腦一樣思考,或者是否可以用電腦的邏輯來理解大腦、甚至是整個身體神經系統的運作。實際上,早在1950年代,馮紐曼就已經開始嘗試以電腦概念理解人腦作用機制。

現代電腦架構先驅馮紐曼

現今大部分的電腦都由CPU、RAM、硬碟等部件組成,進行記憶與計算。而這種從洗衣機中的微控制器到最大的超級電腦中都找得到的架構,早在1945年就由數學家馮紐曼提出,一直沿用至今。馮紐曼可以說是二十世紀最重要的數學家,拓展了目前數學的發展方向,在電腦、物理與經濟方面也都有相當大的貢獻。

人工智慧的先驅之作

本書就是馮紐曼在1957年去世前為這次嘗試的講稿集結。這份講稿分兩部分,第一部分從電腦的基本原理和架構開始,以線路、處理速度與精確度等等層面一步步介紹計算與思考的本質。第二部分則接續第一部分的基礎,試圖以數學與電子傳訊的概念拆解大腦,了解我們的神經系統是如何溝通作出複雜的判斷與思考。

時至今日,馮紐曼對於神經與電腦的洞察啟發了對於電腦學習的新發現(連結主義、深度學習),也影響了現今對於人工智慧的思考方向。

【精彩書摘】

神經細胞內含一個細胞體及從中直接或間接衍生出的一個或多個分支。這種分支叫做軸突(axon)。神經衝動是一個連續變化,在(每一個)軸突上傳導。這個傳導速度通常是固定的,但也可能與其所在的神經細胞相關。如上面所述,這個狀態可從不同的面向來看。它其中一個特性就是它毫無疑問是一個電擾動。事實上這是最常拿來描述神經衝動的方式。這個擾動通常是一個約五十毫伏、持續約一毫秒的電位變化。在電擾動發生的同時,也有沿著軸突產生的化學改變。因此在軸突上脈衝電位經過時,細胞內液的離子濃度與軸突壁,或稱細胞膜,的電化學特性(導電性、滲透性)都會改變。在軸突的末端,化學特性上的變化更加明顯。在那裡,特徵性的特定物質在脈衝抵達時會出現。最後,也可能有一些機械性變化。確實,細胞膜的各種離子滲透性(參考上文)變化很有可能就是其分子位向的改變造成的。換句話說,這是由細胞膜成分相對位置的數個機械性變化所造成。

這邊應補充的是這些變化都是可逆的。也就是說,當脈衝離開以後,軸突上的狀態及其組成部分都會回到原始的狀態。

由於這些效應是分子尺度(細胞膜的厚度為數百奈米等級,也就是10-5公分,等同於這裡會出現的大型有機分子的大小),上述以電、化學、機械效應的分法其實並沒有乍看之下來的明確。的確,在分子大小的世界中,這些不同種變化之間並沒有那麼明確的不同。所有的化學變化都是引發分子相對位置變化(也就是機械性的變化)的分子內力所引起。進一步說,這種分子內的機械性變化會更改相關分子的電性質,也因此會引起軸突電性質與相對電位的改變。總結來說,在一般巨觀尺度下電、化學、機械作用等都可以很清楚明確地辨別。但是在接近分子尺度大小的神經細胞膜,這些不同型態之間的界線逐漸模糊。因此不意外的神經衝動是一個可以視為任何上述任何一種型態的現象。

(本文摘自《電腦與人腦》/貓頭鷹出版社)

【作者簡介】

馮紐曼 John von Neumann(1903年12月28日-1957年2月8日)

數學家、理論計算機科學與賽局理論的奠基者,曾參與曼哈頓計畫,與愛因斯坦等人同為普林斯頓高等研究院的創始教授。完成現今最廣泛使用的電腦架構(馮紐曼機),也參與第一部超級電腦EDVAC的組成。晚年對腦科學以及人腦的運作方式產生濃厚興趣。

【譯者簡介】

廖晨堯

加州大學生醫工程碩士,中英雙母語譯者。專門處理醫療、電子、科技等技術文件中翻英。

《電腦與人腦》/貓頭鷹出版社
《電腦與人腦》/貓頭鷹出版社
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