聯結主義心理學

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聯結主義心理學(connectionisan,neural networks)

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什麼是聯結主義心理學

  聯結主義(connectionisan),又稱神經網路(neural networks),與符號主義(symbolism)一起構成了認知科學的兩個主要流派。聯結主義的理論起始於20世紀40年代,併在其後近30年的時問內得到了迅速的發展,在60年代末由於聯結主義本身的局限性以及電腦科學發展的影響,聯結主義研究一度受到冷落。到了80年代,聯結主義又重新引起了研究者的興趣,在過去的2O多年的時問里,聯結主義認知理論得到了迅速的發展,並取得了豐富的研究成果,對於認知科學、心理語言學等相關學科的發展起到了極大推動作用。尤其是在心理語言學領域,關於語言習得、語言產生與語言理解的聯結主義模型已經成為心理語言學理論中最具影響的組成部分。

符號主義和聯結主義的區別[1]

  符號主義和聯結主義往往被認為是兩個對立的認知科學的流派。符號主義把語言處理視為信息加工的過程,也就是一個符號處理的過程,它具有很悠久的歷史根源。早在19世紀,Boole(轉自Christiansen&Chater.2001:2O)就認為,邏輯與概率理論可以描述心理活動的規律,在這些規律的基礎上,人們可以按照符號規則進行各種推理的活動。這種思想對於電腦科學的發展具有很大的影響。後來電腦科學以及人工智慧理論的發展又反過來進一步影響認知科學的研究。在電腦科學中,符號處理的方式是迄今為止設計實用計算程式最為成功的方法。因此,在認知科學領域,包括語言處理的研究在內,許多人郜按照符號處理器的模式來研究人的心理活動。

  聯結主義代表著認知科學的另一個流派。早在20世紀5O年Ashby(1952)、Minsky(1954)、Rosenhlatt(1962)等人設計『神經系統的計算方案。除了它們的生物屬性之外,這些方案具有“學習”的能力,而不是像符號處理方案那樣提前把各種程式都設計好。在這一階段,符號處理模式和聯結主義模式都被作為建立智力模型的選擇方案。但是,符號處理方案在語言(Chomsky,1965)和解決問題(Newell&Simon,1972)等一些相關的領域得到比較成功的應用,而聯結主義方案因為當時的理論的局限性而被逐漸放棄。但是,隨著認知科學的研究的不斷發展,符號處理模式的局限性也逐漸暴露出來,越來越多的研究者開始意識到符號主義雖然可以解決許多問題,但是它們在語言處理方面與人腦還有很大的差距,人類認知活動模式的建立需要更多地接近人類大腦工作的真實情況。因此,從20世紀8O年代開始,人們又開始把目光轉向聯結主義模式。在最近2O多年的時間內,有關的研究者又進一步發展了聯結豐義理論,並剋服了以往該理論的一些局限(McClelland&Rumelhart,1986),這使得聯結主義理論有重新成為與符號處理模式相併列的一種關於人類心理活動的理論。

聯結主義與大腦的神經生理[1]

  聯結主義理論起源於人們對於大腦結構與工作方式的研究。大腦由大量的神經細胞構成,目前人們對於大腦中神經細胞的數量還沒有一個準確的數字,據Murre和Sturdy(1995)的估計,大腦中神經細胞的數量應該為40 \times 10^9左右,其中有1/5的神經細胞位於大腦新皮層,這一部分被認為負責包括語言處理在內的各種認知活動。大腦皮層的一個細胞平均與其他細胞具有4000個聯結,那麼在大腦新皮層部分就有3.3 \times 10^{13}個聯結。這些神經細胞密切相連構成一個複雜的網路系統。每一個神經細胞都可以被看做是一個簡單處理器。這些處理器收集輸入的電化學脈衝,當輸入的信號總量達到一定程度時,神經細胞就會產生行動電位(指神經脈衝的傳遞過程巾在神經細胞錶面發生的電位的暫時變化),並通過神經纖維把脈衝傳遞到神經軸突(為輸出端)和神經纖維的分支上。另外,神經細胞之間似乎並不是相互交換符號信息,而是通過由神經細胞的觸發頻率(firing rate)而產生的數值(numerical value)進行相互之間的聯繫,每個神經細胞都可以被看做一個處理器,它接受來自於其他細胞的數字輸入信號並轉化為傳遞到其他神經細胞的數字輸出信號總體而言,神經細胞具有六個基本功能(Dudai,1989):

  • 第一,輸入功能,以接受來自於外部環境或者其他神經細胞的信號;
  • 第二,合成功能,可以對於接受的信號進行合成與加工;
  • 第三,傳導功能,可以把合成的信息傳遞一定的距離;
  • 第四,輸出功能,可以把信息傳遞給其他的細胞;
  • 第五,計算功能,可以把一種信息映射轉化為另一種信息;
  • 第六,表象功能,促進內部表象的形成。

  聯結主義認知模式的建立在許多個方面體現了大腦的結構特點。聯結主義認為心理現象可以通過簡單單元所構成的相互聯結的網路結構來描述,而聯結與節點形式可以根據實際的情況而變化,而在描述語言處理過程時,節點可以是一個語言的基本單位(例如詞),而聯結則是與之相關的因素(例如語義相似性)。聯結主義模型包含許多簡單的處理單元或節點,它們可以傳遞一維的信息,即激活。這些單元或節點不傳遞符號信息,只傳遞數值。每個節點都與許多其他的節點相聯結,節點相互之間同時協同進行信息處理的工作,並相互密切聯結構成一個複雜的網路體系。節點之間聯結的強度被稱為權重(weight),權重值的大小可以通過學習(1earning)進行調節。

  Rumelhart,Hinton和McClelland(1986)列舉了並行分佈處理(Parallel Distributed Processing,PDP)模型的八個基本特征:

  • 一系列的處理單元
  • 激活狀態
  • 每個單元的輸出功能
  • 單元之間的聯結模式
  • 通過網路聯結的激活傳播模式的傳播規則
  • 把一個單元所接受的輸入與該單元的現行狀態相結合產生新的激活狀態的激活規則
  • 通過經驗調整聯結模式的學習規則
  • 系統運行所處的環境

  這八個特征可以很容易地與神經細胞的六個功能對應起來。處理單元就是細胞本身,激活狀態和激活規則屬於細胞輸入和合成功能的一部分,輸出功能與細胞的輸出功能相對應,聯結模式和傳播規則與細胞的傳導功能相對應,而學習規則與環境則與細胞的計算和表象功能相對應。當然,並行分佈處理模式只是聯結主義模型中的一種,因此,Bechtel和Abrahamsen(1991)在上述八種特征的基礎上,總結了聯結主義模型的四個基本特征:

  • 單元之間的聯結
  • 單元的激活功能
  • 用於調節單元之間聯結的學習程式
  • 對網路進行語義解釋的方式

  上述四個特征可以被概括為聯結主義的三個基本原則(Medler,1998):

  • 第一,信號的處理由基本的單元進行;
  • 第二,處理單元與其他單元並行聯結;
  • 第三,處理單元之間的聯結具有不同的權重值。

  上述三個基本原則呵以應用於各種聯結主義模型,從而成為衡量各種聯結主義模型的基本標準。

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參考文獻

  1. 1.0 1.1 聯結主義引論《外語與外語教學》2006年第2期·4-8·崔剛 姚平平
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