老年性记忆力衰退为什么从人名遗忘开始

这是本文作者在退休前后开始的研究领域中产生的一个有趣味的问题。我们首先从一些常识中观察到的现象开始。

人名遗忘问题:大约20多年前,我的老师陈重穆教授在一次教研室例行会议之前的闲谈中,无意间向大家提到人到60岁前后记忆力衰退的问题,最开始发生遗忘的是人的名字。常常路遇非常熟悉的人,但是怎么都想不起别人的名字,显得很尴尬。

语言与数学问题:一个人从小学到大学,学习的课程门类不下几十种,可是对于课程知识记忆最深的莫过于数学和语文,看看小学生每天忙碌的主要也就是这两门课程。成年人谋生所依赖的知识其实很宽泛,远远不止于学校学习的课程知识,很多情况下技能知识对于谋生是关键。那为什么保留在我们记忆中的学校知识却主要是语文和数学呢?这样的学校教育是否合理?对于这种现象是否存在某种认知方面的解释呢?

本文将从人类的认知本质和认知基础的层面来破解上面的常见性问题,其中会涉及一些认知心理、神经科学,甚至数学方面的专门知识和术语。

下面我们首先讨论第一个问题:人名遗忘。

范畴特异性理论。近20年来,认知心理学与脑神经科学研究发现一种脑损伤性病变,它的名称是“范畴特异性视觉失认症”,病人对于某些类型的视觉对象失去应有的命名能力。检测者出示一些常见的动物画片让病人识别,病人会把马认成狗,把虎认成狼。1984年,意大利曾报道过一位38岁的患者Mi,他的职业是城市公共医疗服务部门职员,同时也是一名世界野生动植物基金会成员,还是一名潜水员。1984年5月他患上了严重顺行性遗忘症和时空定向障碍,检测时他对画片中的动物辨认能力只有31%。而据他妻子介绍,由于他的个人爱好,患病之前他能够识别大量的哺乳动物、鱼类和鸟类。医学检查表明他的脑电图正常,但CT扫描显示颞叶前区左右两侧都有衰减区域,对血清系列分析发现覆盖层内有疱疹抗体,确诊为单纯病毒性脑炎。

除了病毒侵害脑组织外,还有其他种类的症状患者,其中我们比较熟悉的有语义性痴呆症(SD)、阿尔茨海默症(AD),甚至还包括了一些脑外伤病人。这些病人普遍地出现范畴特异性失认的问题。SD患者是由于进行性、病灶性神经退化导致的综合征,与(AD)在组织学上没有关系。SD患者的特点是遗忘事实、物体和词义的知识,但保持了短时工作记忆、日常情景记忆、空间识别能力和非语言问题解决能力。病人在语言记忆上积分较低,但通常具备较好的方向感并对近期生活事件记忆良好。他们虽然语言不流畅,但自发言语流畅、句法结构完整、语音正常,只是言辞缺乏实质性内容。例如会简单重复应答:“我不知道你在说什么”“我不懂”等。SD患者对口头和视觉呈现的刺激一贯表现出严重不能。例如,对于展示的实物钥匙或钥匙图片,他们缺乏识别能力。脑组织放射诊断发现SD患者单侧或双侧颞叶严重病灶性萎缩,特别是颞极和侧下回,当萎缩不对称时通常左侧更加严重。

AD患者症状主要表现为情节记忆丧失,对日常事件中的人、做什么、在哪里等缺乏记忆,并从情节记忆缺失进一步发展为语义记忆缺失。AD患者的图片命名语义缺失不同于失语症脑损伤病人命名不能,后者的缺失主要发生在发声和音韵通达水平上产生的问题。

上面列出的各类脑损伤病人尽管病因不同,但是在症状表现上却显示出很大的一致性,表现为范畴特异性命名缺失。多数缺失出现在两大范畴:一个是生物范畴,包括动物、植物、甚至于还包括蔬菜、水果;另一个是非生物范畴,包括不同的人造物品,如日用工具、剪刀、钳子、衣服、提包、家具等。而且普遍的观察结果显示,生物范畴命名缺失比非生物范畴更严重。从大脑生理解剖学层面,脑功能成像研究显示,范畴特异性缺失的两大范畴分界提示脑的语义记忆和语义加工在大脑里是分区完成的。例如,前颞叶损伤与自然类物体识别联系在一起,额顶叶损伤与人造物体识别联系在一起。

范畴特异性(或领域特异性)的认知基础。领域特异性理论取向认为:认知不是被一套能够处理任何认知问题的通用计算体制所控制,而是由一组专门化的加工系统所构成的,每个加工系统都适用于分析某一类特定类型的信息。特异性的含义是指并非所有的概念在解决一个特定问题的环境之下都有等同的逻辑地位,在不同的认知领域,人类的知识结构具有重大认知特异性。例如,对于人造物品的知识不但包括它们的外形、色泽等形态特征,还包括设计者和生产者对它们所预设的应用意图,但是对于一只动物来说并不存在这样的认知特征。对于动物来说,除外貌方面的形态特征之外,更加关键的也许是它们的运动方式以及不同动物之间的关系。总之,既然我们已经观察到脑功能对于范畴特异性的高度敏感,那我们也就可以推断范畴特异性对人类概念形成、概念建构以及概念的认知地位的判别具有重要价值。组成人类知识的内容领域不是随机的,是在人类漫长的进化过程中渐次发生并缓慢地固化在人类的心智中,同时也固化在人的解剖学组织里。这些固化对人类的生存高度有利,机体迎合了人类群体的生活和活动方式。这些认知理论假设也可以从婴儿认知行为以及灵长类动物的认知行为中得到印证。

有证据表明,儿童很小就注意到视觉大领域之间的区分。幼儿最早具备领域区分能力就是生命体和非生命体,4岁的儿童能够觉察到生物体具有生长的特征,5岁儿童能够认识到动物的活动与机器运动的区别。研究者认为:儿童对动物的推理采取实在论的思维方式。具体地说,儿童能够认识到具有生命的物品及与之相关的事件因果关系,不同于人造物品及与之相关的因果关系。儿童在故事中听说兽医可以把浣熊的皮毛改变成臭鼬的皮毛使它变成臭鼬,二年级学生会提出反驳,认为即使变换了皮毛,浣熊仍旧是浣熊。研究者还发现,婴儿在9个月大时就能够感知人的运动与球的运动的区别,人的运动不需要像球的运动那样需要外力推动。研究者发现,自然生长的灵长类由于它们的取食方式和生活习性,具有我们难以想象的范畴区分能力。动物学家观察到,野外生存的黑猩猩群体在寄生虫高发期会取食一些特定的无营养的树叶,这种树叶咀嚼时味道很苦涩,但是据说这样能够对抗肠道寄生虫。据观察,南美的绢毛猴也会像幼儿一样感受到动物的自主运动与非生物体运动之间具有实质的区分。

人名遗忘问题的简单解答。现在我们可以简单地解答第一个问题。上面我们已经从脑神经学的角度了解到人类认知心理的一个重要内容:范畴特异性。这样的认知特异性,是通过观察和检测若干类型、原因各异的脑损伤所造成的不同认知领域的命名缺失而确定的。我们所列举的各种范畴特异性命名缺失,是脑神经经历特定性侵害形成的。但是,健康的人同样也会因为年龄的增长而致使各种身体器官产生退行性变化,脑功能的退化必定会产生行为能力的降低。从这个意义上说,老年人的人名遗忘是一种轻微的范畴特异性命名缺失的行为表现,也可以说人名遗忘是老年人记忆力衰退的开始,采取必要措施注意脑保健,延缓脑力衰退由此提上议事日程。

上文的讨论内容已经远远超出了人名遗忘的问题,也超出了认知的范畴特异性问题。通过范畴特异性问题的讨论,我们已经开始触及人类认知结构以及智力行为的神经学基础的心理学中心问题。下面我们将首先介绍目前认知心理学的一个最重要的主流观点:信息感知与信息加工理论。

认知心理的西蒙-纽维尔信息加工理论。1972年在《人类问题解决》一书中,美国著名计算机科学家、人工智能专家西蒙与纽维尔提出了认知心理的信息加工理论。该理论的出发点是所谓“物理符号假设”,他们认为大脑与心灵计算机一样,都是一种物理符号系统,在计算机机理层次上都具有产生、操作和加工抽象符号的能力。

西蒙与纽维尔首先从科学理论层次与规律出发,论证了物理符号系统假设的合理性。他们把心理学研究划分为三个层次:第一级水平是研究复杂行为,如问题解决、概念形成、语言现象等;第二级水平是研究简单的信息加工过程,如感觉和知觉;第三级是生理水平,如中枢神经过程、神经结构等。他们还认为科学理论可分为定量结构定律与定性结构定律。如定量结构定律的代表是万有引力定律,定性结构定律代表是细胞学说。西蒙与纽维尔把物理符号系统假设看成是第一级研究层次的科学理论和研究纲领,并将之界定为一种定性结构定律。

物理符号系统的含义:符号是一种模式。任何一个模式只要能够与其他模式区别,它就是一种符号。符号既可以是一种物理符号,如书写的文字或者声波,也可以是一种头脑中的抽象符号,如语言和表象,还可以是计算机中的电子运动模式或头脑中的神经元运动方式。符号以一定的关联组成表达式或符号结构,表达式和对表达式的一系列加工共同组成物理符号系统。这一系列加工包括产生、修正、复制和破坏等,它们能够通过对表达式的操作而产生其他表达式。之所以加之“物理”二字的目的在于表明两点:一是该系统显然是遵循物理规律的,可以通过专门设计的系统来实现;二是它不限于人类的符号系统(语言)。

一个完善的物理符号系统应该具有六种功能:

1.输入:计算机利用键盘输入符号;人通过眼睛、耳朵等感觉器官输入符号。

2.输出:计算机通过显示器或打印机输出符号;人通过动作、表情或言语输出符号。

3.存储:计算机在内存和硬盘、光盘等外存装置存放信息;人通过记忆在大脑某些部位存储信息。

4.复制:计算机可以复制存储的符号;人可以把外界事物以符号的形式在头脑中复制下来并加以存储。

5.建立符号结构:计算机可以通过符号之间的关系建立各种新的符号结构;人可以通过思维活动对符号进行组合,形成新的组合或结构。

6.条件性迁移:计算机可以在已经存储的符号结构基础上,根据当前的输入信息和目标来改变符号结构,如计算机辅助教学程序;人也具有条件性迁移的能力,可以在已有知识基础上,根据当前的信息进行一定的活动,如举一反三、触类旁通。

现在可以建立物理符号系统假设:

对于一般智能行为而言,物理符号系统具有必要和充分的条件

必要条件:任何表现出一般智能的系统都可经分析被证明是物理符号系统。

充分条件:任何足够大的物理符号系统都可以经过进一步组织而表现出一般智能,其中的关键就是是否执行或具有上述六种功能。

物理符号系统的三个推论:

1.既然人具有智能,那么它就一定是一个物理符号系统。

2.既然计算机是一个物理符号系统,那么它就一定能够表现出智能。

3.既然人和计算机都是物理符号系统,那么就能够利用计算机来模拟人的活动。

下面的“人机大战”大体能够说明电脑的人工智能与人类之间的比拟。

1958年,名为“思考”的IBM704型电脑第一次与人下棋,其速度每秒200步。1988年,电脑“深思”击败丹麦国际象棋特级大师拉尔森。1989年,“深思”速度为每秒200万步,但是还是以0∶2的成绩败给了世界棋王卡斯帕罗夫。1996年,“深蓝”首战卡斯帕罗夫,以2∶4败北。1997年,升级版“深蓝”以3∶2击败卡斯帕罗夫,卡斯帕罗夫要求重赛,但未得回应。2001年,一家德国公司开发的象棋软件“更弗里茨”击败了卡斯帕罗夫、阿南德以及除克拉姆尼克之外的所有世界排名前十的棋手。

数学认知与数学推理的认知典型性。与语言加工的过程一样,脑的思维活动(按照西蒙与纽维尔的术语:信息加工过程)有两个重要部分:一个是意义转换,把外在的具有事实性含义的物理信息转换为脑神经可以操作的符号系统(编码);另一个是符号加工过程,也就是西蒙与纽维尔的“手段-目标”分析,搜索能够缩小现状与目标之间差异的运算子,从初始条件出发,一步一步逼近问题目标,达到解决问题的目的。后一个过程就是我们通常意义下的思维与推理过程。

上面这两种类型的脑的活动简直就是我们利用数学建模方法求解数学问题的翻版:首先把实际问题数学化,把实际问题中的变量转换为代数符号系统,把实际状态之下的变量关系利用数学运算连接起来,这就是建立数学模型的过程,然后求解数学模型。后一个过程也许会面临许多实际的困难。数学家在解决数学难题的过程中采取各种各样的思维与推理策略,求解与推理过程既神秘莫测又天衣无缝。

按照这样的类比,研究数学思维与数学推理的各种型和例实际也是揭开人类认知与人类思维与推理奥秘的根本途径。我在《数学思想10讲》(张广祥著)中列出了丰富的数学思维与推理的实例,我们相信这些实例可以为揭示各种逻辑推理的大脑活动过程提供证据。

语言与计算。语言的基本构成单位是词,词是概念的载荷,但是词语远远不能等同于概念。概念是思维的产物,词语仅仅是表达概念和思维的符号替代品而已。狗,如果被看成一个名词符号,它可以随意运用在语言表达中。但是,狗如果被看成是一个概念,它所涵盖的认知内容比想象的丰富得多,以至于任何有限的语言都难以完整地将它表达出来,语言对概念的表达永远都只是某一个意义侧面而已。但是反过来,如果没有词语的表达,概念就难以被轻松自如地运用于思维过程。

语言作为一种思维的符号系统,它的功能和地位是无可替代的。它不但载荷信息,更加重要的是它具有形式符号计算的功能,认知心理的信息加工理论把这种推理操作称为“计算”,也就是西蒙-纽维尔信息加工理论中物理符号的六大功能中第5、第6功能:建立条件结构与条件迁移(结构重组)。

“计算”这个词是认知心理学家们不约而同使用的词汇。认知心理学家们不论从哪个角度研究人类的智力活动,最终都会把智力活动归结为一种心理“运算”,皮亚杰《发生认识论原理》一书采用“operation”这个词,西蒙-纽维尔信息加工理论更是采用了“compute”这个词,加拿大计算机科学家、认知心理学家Z.W.Pylyshyn把他的奠基性认知理论著作取名为《计算与认知:认知科学的基础》,一语道破了计算是人类认知的基础。该著作最后一章“结语:认知科学是什么科学?”在回答这个问题之前,作者意味深长地引用英国哲学家、逻辑学家罗素的话。罗素说:就我所知,第一个明确说出人是理性的动物的是亚里士多德。他的理由在今天似乎没有太强的说服力,那就是有人会做算术。现在的计算机甚至比最聪明的人还会做算术,然而没有人再坚持认为这些有用的工具是不朽的或是神的灵感在起作用。随着算术变得越来越容易,它也变得不那么受尊重。其结果是,尽管许多哲学家继续告诉我们人类是何等灵秀,但我们的算术技能却不再成为他们称赞我们的理由。

Pylyshyn的重要结论是:心理状态的语义内容是按照大脑的性质来编码的,其方式与计算机表征的语义内容被编码的一般方式相同。

现在我们已经不难回答本文开始时提出的第二个问题。

语言与数学(计算)问题的解答。人类智力活动的基本方式是语义编码和计算,因此,任何形式的思维和推理都是以语义为内容的形式符号计算。人类大脑的活动是这样进行的,计算机也是按照这种方式运行,任何模仿人类智力活动的机器所执行的人工智能也遵循相同的规则。

参考文献

1.(英)埃默·福德,格林·汉弗莱斯.脑与心智的范畴特异性[M].张航译.北京:商务印书馆,2007.

2.(美)戴维·霍瑟萨尔,郭本禹.心理学史[M].北京:人民邮电出版社,2011.

3.A.Newell,H.A.Simon.Computer Science as Empirical Inquiry:Symbols and Search[J].Communications of the ACM,1976,19(3):113-126.

4.张广祥.数学思想10讲[M].北京:科学出版社,2013.

5.(加)Z.W.Pylyshyn.北京:计算与认知:认知科学的基础[M].中国人民大学出版社,2007.