第二章

人机智能的基础部件

合抱之木生于毫末，九层之台起于垒土。

——《道德经》

人脑是人类得以具备智慧的核心部件，不管是看、听、说话、运动还是思考，都需要人脑中的一些部件参与调控。虽然无法确定目前人类的创造是不是唯一能够让机器智能化的方法，但可以肯定实现机器智能的方式之一是人工智能。就像人类智能的产生需要人脑这个核心部件一样，人工智能的正常运作也需要机器的部件作为支撑。人类产生智能的核心部件——大脑和使用人工智能方法使机器智能化的核心部件——机器的“脑”有什么联系与区别呢？

一、大脑的组成与结构

2007年，美国神经科学家戴维·林登（David J. Linden）写了一本《进化的大脑》，采用从下往上的顺序从宏观的角度来说明人脑的各个组成部分（如下图）。

其中，人脑中最下面的区域是脑干。脑干由中脑、脑桥和延髓三大部分组成。从图中可以清晰地看出脑干其实是脑与身体其他部分的连接轴，负责皮肤、肌肉、脊髓与大脑之间的信号传送。脑干也负责调控心跳、呼吸、消化等个体生命重要生理功能，是产生清醒和睡意的部位。对于那些在考试之前为了熬夜学习而借助咖啡阻止睡意的同学而言，咖啡刺激的就是他们的脑干区域。因为脑干能够联合脊髓回路麻痹肌肉，让人体处于放松状态，这种麻痹在睡眠时尤为明显。但当人体清醒时，受到肾上腺素和血清素的影响，麻痹作用会被阻断。此外，脑干区域的受损将严重影响人的生活，小区域的受伤（如中风或肿瘤导致）会使病人陷入昏迷，大范围的受伤可能导致死亡。

紧靠着脑干的区域是小脑，是控制身体完成复杂运动的部位，它通过连接运动皮层的回路精确地指定运动中每个动作的出现顺序和持续时间，比如跳舞。14世纪70年代，欧洲村庄出现一种疯狂的舞蹈病，发病的人会产生强烈的肌肉痉挛，像是跟着某种听不见的音乐狂热起舞。此病曾被认为是女巫修炼黑魔法造成妖邪作祟的结果，后来证实是因为细菌感染影响小脑等部位造成的。

另外，小脑在鉴别“期望事件”与“非期望事件”中扮演着重要的角色，即减少对将要发生事件的知觉注意。比如正聚精会神看恐怖片的时候，有人突然拍了一下你的肩膀，你肯定会被吓得不轻。但在别人还未偷袭（悄悄拍你肩膀）之前你如果已经有了心理准备，就不会感觉到多害怕，这就是你小脑干预的结果。

小脑往上一点的区域是中脑。中脑包含初级的视觉和听觉中枢。

中脑在两栖动物身上（比如青蛙）具有重要的作用，在高级动物（比如哺乳动物）身上的作用却没有那么明显，因为哺乳动物有更加高级的处理视觉和听觉的神经中枢。但是在发生意外后，比如某人因故导致高级视觉中枢受损，那么这种中脑所保留的视觉中枢的作用就体现出来了。有人曾经邀请因高级视觉中枢受损而失明的病人参与一项实验，在实验中，病人被要求去抓身边的一件物品。几乎所有的参与者都觉得不可能，但他们却都能奇迹般地完成这项任务。原因在于他们抓物动作并没有与大脑中产生视觉感知的皮层建立联系，即抓的动作不需要他们自己看到，只需要侦测到实际物品所在位置伸出手就可以了，而中脑恰恰可以处理这种信息。

中脑往上一点的区域是丘脑和下丘脑。丘脑和脑干具有类似的信号传输的功能，只是丘脑传输信号的目的地是大脑中高级的脑区。

你知道吗？当处于寒冷的环境中时，人的下丘脑的重要性就体现出来了。下丘脑的功能是分泌各种激素维持机体内环境的稳定。当你感觉寒冷时，下丘脑会分泌一种促进甲状腺分泌的物质，加快身体的新陈代谢。不仅如此，对于那些想要减肥，嘴巴却完全抵抗不住美食诱惑的人来说，让他们减肥计划落空的罪魁祸首之一就是下丘脑。因为人类饥饿和口渴的本能是由下丘脑激发的。科学研究发现，被破坏了下丘脑外侧核（下丘脑中的一部分细胞）的大鼠茶饭不思，而被破坏了下丘脑腹内侧核的大鼠却暴饮暴食。这说明下丘脑外侧核分泌的化学物质可以减少人们对于食物的渴望，这何尝不是一种有效的节食减肥策略呢？近年来鉴别引起饥饿和饱足感觉的化学分子已经成为减肥产品研究的新方向。

此外，下丘脑可能还与嗜睡症有关。嗜睡症患者会不分场合，不限时间经历频繁地短暂深度睡眠，最新研究表明，此类病人是由于下丘脑分泌的下视丘素缺失引起的。因为下视丘素具有维持甲状腺激素和血清素处于适量状态的功能，当甲状腺激素和血清素减少时，人脑就容易产生困意。

丘脑往上是大脑，大脑是人类机体调节最高级的中枢，也是知觉、意识、记忆、学习和决策的关键部位。

大脑外表面通常被叫作大脑皮层，表面积很大。大脑皮层上很多被称作“沟”“回”的褶皱增加了大脑皮层的表面积。从背面看，人脑被分成左右两个半球，每个半球又被三个沟（中央沟、外侧沟和顶针沟）分割成四个部分，这四个部分分别叫作额叶、顶叶、颞叶和枕叶。额叶负责人类高级的认知功能，比如学习、语言、决策、抽象思维、情绪等；顶叶负责躯体感觉、空间信息处理、视觉信息和体感信息的整合；颞叶负责听觉、嗅觉、高级视觉功能，分辨左右，长期记忆；枕叶负责视觉处理。

其中额叶是这几个区域里面较为发达的区域，它的损伤会对人的性格产生重大影响。比如，1848年，一名叫盖奇的工人在修筑铁路时不慎受重伤，造成大脑额叶区域的损坏。经过抢救，盖奇恢复了健康，可以正常地说话，走路，但是额叶损伤使他性格发生很大变化，从和蔼友善变成固执、冲动、自私。无独有偶，2002年，一名被控对儿童实施犯罪的教师在入狱前告诉医生，他一直经受着头痛的折磨，控制不住体内犯罪的欲望，医生检查后发现这名罪犯脑内有一枚肿瘤正好压迫了额叶。

隐藏在大脑内部区域有两个重要的结构，分别是负责情感的杏仁核和负责记忆的海马体。

杏仁核支配人体对于恐惧的意识。当杏仁核发生功能性障碍时，患者的胆子会变大。比如，一位叫SM的女性因为疾病导致其杏仁核萎缩消失，致使她的胆子比一般人都大很多，看恐怖电影不会产生普通人经历的心跳加速、手心出汗、血压升高等症状。杏仁核损伤的人由于不容易有恐惧感，具有更强的抗压能力。但另一方面，他们由于缺乏恐惧感而不懂得规避危险，很容易把自己置于危险的境地而不自知。

海马体是将短期记忆转化成长期记忆的部位，也就是说，海马体损伤会造成人的记忆障碍。比如，曾在英国名噪一时的音乐家Clive Wearing ，在1985年不慎感染了一种名为单纯疱疹病毒脑炎的急性病，从而陷入再也无法记忆的深渊，他最多只能记住30秒以内发生的事情。造成无法形成较长记忆的原因，在于这场急性病彻底损坏了他的海马体，因而他也被世人戏称为“只有7秒记忆的人”。

从微观看，构成脑组织结构和机能的基本单位是神经细胞。人脑内共有两类神经细胞：神经元和神经胶质细胞。人脑神经元的个数大约为10 ¹¹ 到10 ¹² 个，神经胶质细胞的数量大约是神经元细胞的10～50倍。

人脑中的神经信号主要是由神经冲动来传递的，神经冲动具体是怎么传导的呢？

神经冲动传导的关键在于细胞膜上的钾钠泵和离子通道。钾钠泵负责调控神经细胞内外钾钠的离子浓度，将钾离子运输到细胞内，将钠离子运输到细胞外。对于某个细胞而言，在钾钠泵的作用下，其内部的钠离子比细胞外要低，钾离子的含量比细胞外要高。离子通道像是安装在细胞膜上面的门，每种离子要出入细胞都要通过特定的“门”，我们把钾离子通过的“门”叫作钾离子通道，钠离子通过的“门”叫作钠离子通道。当相应的门打开时，在两侧离子浓度差的驱使下会有相应的离子通过特定的“门”。这个很像把一滴墨水滴到一杯清水里，墨水会逐渐在水中扩散一样，如果没有外界的干预，最后墨水在清水中会扩散得很均匀。

在静息状态下，细胞外的钠离子浓度高于细胞内的钠离子浓度，细胞外的钾离子浓度低于细胞内的钾离子浓度。这个时候钾离子通道是打开的，细胞内的钾离子会像墨水一样朝着浓度低的方向扩散。这样的结果就是细胞内的正电荷流失（钾离子带正电），导致细胞内的电荷表现为负，细胞外的电荷表现为正。当细胞内的钾离子流失到一定程度之后，细胞膜上的钾离子通道会关闭，维持细胞内负电位、细胞外正电位的状态。当细胞某点受到兴奋刺激时，相应部位的钠离子通道会打开，这时因为细胞内的钠离子浓度偏低，细胞外的钠离子会朝着细胞内移动，导致细胞内因为带正电的钠离子增多而带正电，细胞外钠离子减少而带负电，细胞内外的电位发生变化，使得信息迅速传遍整个细胞。而当信息传输到两个神经细胞连接的突触前端时，引起突触前端释放神经递质，神经递质通过突触间隙扩散到另外一个神经细胞，接收到刺激的神经细胞再次产生神经兴奋，于是信息就像被推倒的多米诺骨牌一样向前传播。

二、机器的“脑”——中央处理器与存储器

利用人工智能实现机器智能的方法很大程度上是建立在对数据的计算上的，所以对机器来说常常需要承担非常大的计算任务。要弄清楚机器“脑”的构造，不妨以人类计算的过程来思考这个问题。

假设现在有一个算式：

1+2-3+5÷5×4-6+7×8×9÷10

你是怎么计算的呢？可以自己先想一想。还记得小时候学的计算规则吗？先计算1+2可不对哦。根据先乘除后加减的运算规则，我们首先是不是应该计算5÷5，然后得到一个1，再把这个1和4相乘得到4，然后再……

通过这个过程可以看到计算中两个关键的过程：计算和存储。在计算过程，将要计算的数字和运算符绑定在一起组成一次运算，比如说首先将数字5和5与运算符÷绑定到一起计算得到结果1。在存储过程中，将这个由“5÷5”得到的1“记”下来，对于小朋友来说他们可能会把这步的结果记在纸上，但对于你来说应该会把这个结果1记在心里，然后用这个“记”下来的结果替换刚刚的“5÷5”，再进行下一轮的计算。

机器在进行计算的时候并不能把计算结果1像我们一样“记”在心里，但是它有一个特别的部件把它“记”下来，这个部件叫作机器的寄存器。执行每轮计算的部件叫作运算器。

虽然有了寄存器和运算器，看似可以像人类一样进行计算了，但是寄存器只是用来暂存数据的，它能存储的数非常少，运算器的功能只是负责运算，每次只能做一个运算。所以，在计算完一轮之后谁来把运算器计算需要的数据“搬”到运算器的“控制区域”，谁来告诉它下一轮该做什么运算呢？负责这项工作的部件叫作控制器。但控制器又是从哪里拿到要计算的数字，从哪里获知下一步应该做什么运算的呢？

因此机器还需要一个东西来存储计算的顺序，先计算哪个式子，再计算哪个式子，这个计算顺序在机器的世界里叫作指令，通常指令存储在机器的存储器中，这样机器可以每运算完一个式子就去看看下一个指令是做什么，再照着指令完成下一项计算工作。另外像那些暂时没有在计算中使用到的数字也会被存储在存储器中。

寄存器是用来存储计算中的数字的，寄存器和存储器到底有什么区别呢？其实从名字应该猜得出来，它们的功能都是用来存储的，只是机器要数据的时候寄存器能很快给出而存储器给得比较慢而已。

所以可以发现，相对于人脑而言，基于人工智能实现机器智能的方法下设计的机器的“脑”较为简单。机器的“脑”中最关键的两个部件是存储器和中央处理器。存储器用来存放数据和指令。中央处理器则根据存储器中存放的程序对存储器中的数据进行操作，如把存储器中存放的1和2相加。需要注意的是机器存储的数据和指令并不是我们看到的样子，所有的数据和指令都是以二进制存储的。

比较简单的存储器可以分为三级：主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器。其中主存储器和高速缓冲存储器可以被中央处理器直接访问，中央处理器在它们的存储中读取数据的速度非常快，但囿于容量很小，只能存放少量的数据。而辅助存储器虽然读取数据的速度较慢，但是可以存储的数据比主存储器和高速缓冲存储器的多很多。

中央处理器主要的两个部分就是前面提到过的：运算器和控制器。

运算器是中央控制器中对数据进行运算的部件，包括算术逻辑单元、寄存器。算术逻辑单元是用来对数值进行计算的。寄存器用来暂存操作数和运算结果。下页上图展示了一个正在做加法的运算器，运算器接收2和3的二进制数，求和得到一个5的二进制数。运算器除了可以做加法操作之外还可以执行减法等算术运算和与运算 、或运算 、非运算 之类的逻辑运算，甚至可以做移位运算 等操作。在机器工作的过程中，控制器会控制运算器该对哪些数进行哪种操作。控制器根据指令，从存储器中取出数据，向运算器发出相应的操作信号，“指挥”运算器进行算术逻辑运算，从而使得机器能够有条不紊地自动工作。因而，控制器可以看作是机器的指挥中心。

机器的各个部件之间进行数据传输，比如把存储器中的数据传输到计算器，需要一个东西将这些部件连接起来，这个东西叫作总线。通过总线，可以分时地发送和接收各个部件的信息，如下图所示。中央处理器要获取存储器中存储的数据进行计算，就需要总线将数据信息从存储器传输到中央处理器。

这些基础部件是如何进行协调工作的呢？以机器计算x+y+z为例来具体说明一下。假设x的值是2，y的值是3，z的值是5，分别存储在如下页上图所示的主存储器编号为5，6，7的位置。需要注意的是存储器存储的是数值，没有括号内的x，y，z，所有的指令和数值都是以二进制方式存储的。在这里列出只是为了帮助你更好地理解。

如下页上图所示，程序和数一开始都存储在存储器中，主存储器上面存储的是指令，告诉机器该完成哪些操作，下面存储的是数值，用于计算时候操作使用。计算的流程如下：

①执行0号位置的指令。中央处理器先读取主存储器中0号位置的信息，发现该指令是让它去5号位置读取x的值。中央处理器去5号位置把x的值2读出放到累加寄存器中，此时累加寄存器中的值是x的值。如左图所示。

②执行1号位置的指令。中央处理器读取1号位置的指令，发现该指令是让它去加上6号位置的数。中央处理器把6号位置y的值3读出和累加寄存器中x的值2进行相加。x和y相加产生一个新的临时结果5，这时5的值会被放到累加寄存器中（也就是原来存放x的那个位置），原来x的值2被覆盖掉了，累加寄存器中的值变成了5，如下页上图所示。

③执行2号位置的指令。中央处理器读取2号位置的指令，发现该指令让它去加上7号位置的数。中央处理器将7号位置z的数值5读出与累加寄存器中的5进行相加，将得到的值再次写到累加寄存器中，如下页中图所示。

④执行3号位置的指令。中央处理器读取3号位置的指令，发现该指令让它把数存储到8号位置。中央处理器将累加寄存器中的内容存储到8号位置。此时主存储器8号位置存储的是x+y+z的值10，如下页下图所示。

⑤执行4号位置的指令。该指令是让中央处理器停止工作。读到这条指令之后，中央处理器停止工作，如22页图所示。

思考与实践