一对好基友用逻辑拯救世界


沃尔特·皮茨(Walter Pitts,1923-1969):沃尔特·皮茨的一生从无家可归的离家出走者,到麻省理工学院的神经科学先驱,再到孤僻的酒鬼。

麦卡洛克出生于东海岸一个富裕的律师、医生、神学家和工程师家庭,他就读于新泽西州的一所私立男子学院,然后在宾夕法尼亚州的哈弗福德学院学习数学,然后在耶鲁大学学习哲学和心理学。

麦卡洛克和皮茨一路走来,他们创造了第一个心灵机械理论、第一个神经科学计算方法、现代计算机的逻辑设计以及人工智能的支柱。
但这不仅仅是一个富有成效的研究合作的故事。它还讲述了友谊的纽带、心灵的脆弱,以及逻辑拯救混乱和不完美世界的能力的局限性。

逻辑运算
麦库洛克向皮茨解释说,他试图用莱布尼茨逻辑微积分来模拟大脑。他受到了《原理》的启发,罗素和怀特海在《原理》中试图证明,所有数学都可以用基本的、无可争辩的逻辑从头开始构建。

  • 他们的基石是命题:最简单的陈述,非真即假。
  • 在此基础上,他们运用逻辑的基本运算,如联结("和")、析取("或")和否定("非"),将命题连接成越来越复杂的网络。

从这些简单的命题中,他们衍生出了现代数学的全部复杂性。

这让麦库洛克想到了神经元。他知道,大脑的每一个神经细胞只有在达到最低阈值后才会发生反应:必须有足够多的邻近神经细胞通过神经元的突触发送信号,神经元才会发出自己的电脉冲。

麦库洛克想到,这种设置是二元的:神经元要么触发,要么不触发。

他意识到:

  • 神经元的信号是一个命题,神经元似乎像逻辑门一样工作,接受多个输入,产生一个输出。
  • 通过改变神经元的触发阈值,可以使其执行 "和"、"或 "和 "非 "功能。

图灵来助攻
英国数学家阿兰-图灵(Alan Turing)发表了一篇新论文,证明了机器可以计算任何函数(只要可以用有限步数完成)。

麦库洛克在阅读了这篇论文后坚信:

  • 大脑就是这样一台机器,它利用神经网络中的逻辑编码进行计算。
  • 神经元可以通过逻辑规则连接在一起,从而构建更复杂的思维链,就像《原理》将命题链连接起来构建复杂数学一样。

当麦卡洛克的妻子鲁克和三个孩子上床睡觉时,麦卡洛克和皮茨独自倒了威士忌,蹲下来,试图从神经元开始构建一个计算大脑。

破解神经元
在皮茨到来之前,麦库洛克遇到了难题:神经元链会自己缠绕成回路,从而使神经元链中最后一个神经元的输出变成第一个神经元的输入--神经网络在追逐自己的尾巴。(逻辑悖论

麦库洛克不知道如何用数学模型来模拟这种情况。

从逻辑学的角度来看,循环很像悖论:结果变成了前因后果,效果变成了原因。

麦库洛克给链条上的每个环节都标上了时间戳,这样,如果第一个神经元在 t 时启动,下一个神经元就会在 t+1 时启动,依此类推。但是,当神经链回旋时,t+1 突然出现在 t 之前。

皮茨知道如何解决这个问题。他使用了模数学,这种数学方法处理的是像钟表的小时数一样循环往复的数字。

他向麦库洛克证明,时间 t+1 在时间 t 之前出现的悖论根本不是悖论,因为在他的计算中:

  • "之前 "和 "之后 "失去了意义。
  • 时间被完全从等式中剔除了。

如果人们看到天空中闪过一道闪电,眼睛就会向大脑发出信号,通过神经元链将信号传递出去。
从神经元链中的任何一个神经元开始,你都可以追溯信号的步骤,并计算出闪电是在多久之前击中的。
除非,这条神经元链是一个循环。

在这种情况下,编码闪电的信息只会无休止地转圈;它与闪电实际发生的时间毫无关联。

正如麦库洛克所说,它变成了 "一个从时间中挣脱出来的想法"。换句话说,就是记忆

当皮茨完成计算时,他和麦库洛克手上已经有了一个思维的机械模型,这是计算在大脑中的首次应用,也是大脑从根本上说是一个信息处理器的首次论证。

通过将简单的二进制神经元串成链和循环,他们证明了大脑可以实现每一种可能的逻辑运算,并能计算图灵假想机器所能计算的任何东西。

得益于这些神经元环路,他们还找到了一种方法,让大脑能够抽象出一条信息,并将其保留下来,然后再次抽象出来,在我们称之为 "思考 "的过程中,创造出丰富而复杂的层次结构,将萦绕不去的想法串联起来。

McCulloch 和 Pitts 将他们的研究成果写成了一篇现在看来很有分量的论文,题为 "A Logical Calculus of Ideas Immanent in Nervous Activity",发表在《数学生物物理学通报》(Bulletin of Mathematical Biophysics)上。

对于生物大脑来说,他们的模型过于简化,但却成功地证明了原理。

他们说,思想不需要被弗洛伊德的神秘主义所笼罩,也不需要在自我和本我之间进行斗争。

"这是科学史上的第一次,"麦库洛克向一群哲学系学生宣布,"我们知道了我们是如何知道的"。

冯·诺依曼登场
接下来的 1945 年 6 月,冯·诺依曼撰写了一份历史性文件,题为“EDVAC 报告初稿”,这是第一个发布的关于存储程序二进制计算机(现代计算机)的描述。

EDVAC 的前身 ENIAC 在费城占据了 1,800 平方英尺的空间,它更像是一个巨大的电子计算器,而不是一台计算机。
可以对这个东西进行重新编程,但几个操作员花了几周的时间才重新布置所有电线和开关才能做到这一点。

冯·诺依曼意识到,每次希望机器执行新功能时,可能没有必要重新布线。
如果你能把每个开关和电线的配置抽象出来,并将它们符号化地编码为纯粹的信息,你就可以把它们输入计算机,就像输入数据一样,只是现在的数据将包括操纵数据的程序。
无需重新布线,你就能拥有一台通用图灵机。

为了实现这一目标,冯-诺依曼建议以皮茨和麦库洛克的神经网络为计算机模型。
他建议用真空管代替神经元,作为逻辑门,将它们完全按照皮茨和麦克库洛赫的发现串联起来,就可以进行任何计算。

为了将程序作为数据存储起来,计算机需要一种新的东西:存储器。这就是皮茨的循环系统发挥作用的地方。

冯-诺依曼在他的报告中写道:"一个能刺激自身的元素将无限地保持一个刺激,"他呼应了皮茨的观点,并运用了他的模数学。
他详细介绍了这种新型计算架构的方方面面。
在整篇报告中,他只引用了一篇论文:麦库洛克和皮茨的 "逻辑微积分"。

 1954 年 6 月,《财富》杂志发表了一篇文章,评选了 20 位 40 岁以下最有才华的科学家;皮茨也出镜了,旁边是克劳德·香农和詹姆斯·沃森。尽管困难重重,沃尔特·皮茨一跃成为科学明星。

再次合作
1952 年,麻省理工学院电子研究实验室副主任杰里-威斯纳(Jerry Wiesner)邀请麦库洛克领导麻省理工学院的一个脑科学新项目。麦库洛克抓住了这个机会--因为这意味着他将再次与皮茨共事。他用自己的正教授职位和欣斯代尔的大房子换来了副研究员的头衔和剑桥的一间破公寓,他对此再高兴不过了。

这个项目的计划是利用信息论、神经生理学、统计力学和计算机的全部知识来理解大脑是如何产生思维的。莱特文与年轻的神经科学家帕特里克-沃尔(Patrick Wall)一起,来到位于瓦萨街20号楼的新总部,与麦库洛克和皮茨会合。

他们在门上贴了一个标语:实验认识论

皮茨和麦卡洛克再次聚在一起,维纳和莱特文也加入其中,一切似乎都为进步和革命做好了准备。神经科学、控制论、人工智能、计算机科学——都处于知识爆炸的边缘。天空——或者心灵——是极限。

否定自己
他们在 1959 年发表的现在具有影响力的论文《青蛙的眼睛告诉青蛙的大脑》中报告说:“眼睛用一种已经高度组织和解释的语言与大脑对话。”

这一结果彻底颠覆了皮茨的世界观。大脑并不是通过数字神经元逐个使用严密的数理逻辑来计算信息,而是通过眼睛中杂乱无章的模拟过程来完成至少部分解释工作。

即使逻辑在其中发挥了作用,它也没有发挥人们所期望的重要或核心作用。

总结
皮茨与麦卡洛克一起为控制论和人工智能奠定了基础。他们引导精神病学远离弗洛伊德的分析,转向对思想的机械理解。他们已经证明大脑可以计算,而心理状态就是信息的处理。

在此过程中,他们还展示了机器如何进行计算,为现代计算机的架构提供了关键灵感。

由于他们的工作,历史上曾有过这样一个时刻,神经科学、精神病学、计算机科学、数理逻辑和人工智能融为一体,遵循着莱布尼茨首次瞥见的理念--人、机器、数字和思维都将信息作为一种通用货币。

表面上看似截然不同的世界元素--金属块、灰色物质块、纸张上的墨水划痕--却有着深刻的互换性。

但有一个问题:这种象征性的抽象使世界变得透明,但大脑却变得不透明。一旦一切都被简化为受逻辑控制的信息,实际的力学就不再重要了——通用计算的权衡是本体论。

冯·诺依曼是第一个发现这个问题的人。预计了人工智能和神经科学之间即将出现分裂。

 1969 年 5 月 14 日,沃尔特·皮茨 (Walter Pitts) 因食管静脉曲张出血(一种与肝硬化有关的疾病)在剑桥的一间寄宿处孤独地去世。四个月后,麦卡洛克去世了,仿佛一个人离开另一个人的存在根本不合逻辑,一个回响的循环被扭开。