来源：孙学军科学网博客

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本文的智能只是生物系统工作原理层面，而不是意识层面的，无论是工作原理，还是大脑意识层面，今天的科学仍然没有给出理想的解答，表型非常明确，机制不清楚，这是驱动人们去探索的重要理由。最近看克里克教授的自传，他谈到如何从一个普通物理学者变成对生物学研究的过程，和沃森一起发现双螺旋，如何参与解读密码子，如果开展视觉和意识的探索性研究，一个最基本的逻辑就是沿着探索为止的兴趣带领着他前进。不知道今天的科学家还有多少这样的淳朴的科学热爱者。多少人都忙着去开展研究课题，发表学术论文，获得学位和职业晋升，大家可能早就忘记了科学本来应该如何。

在人工智能已经变成元宇宙的时代，智能如何产生？仍然是个重要的科学问题。

以下内容主要参考最近的《科学美国人》文章

在《物种起源》中，达尔文遇到了自然选择的信仰危机。他诚实写道，

“假设眼睛拥有所有独一无二的特征，能够根据不同的距离调整焦距，能够接受不同的光线，能够校正球面和色差，都是由自然选择形成的，我承认这似乎这是极其荒谬的。”

科学家们不仅研究眼睛是如何进化的细节，但我们更受困于智力在生物学中是如何产生的问题。在没有外部设计师的情况下，一个生物系统如何能够自下而上地产生连贯的、目标导向的行为?

事实上，智能——一种对现有信息有目的的反应，通常是对未来的预期。这种能力不仅仅局限于人类，而是遍布于整个生物界，包括人类、哺乳动物、鸟类和头足类动物。甚至有目的的解决问题的行为可在所有生物某些部分中找到：单个细胞和组织、单个神经元和神经元网络、病毒、核糖体和RNA片段，甚至运动蛋白和分子网络。理解智力的起源是生物学的中心问题，仍然是悬而未决的问题。在这篇文章中，发育生物学和神经科学的进展现在提供了一个有希望的路径，以显示模块化系统的架构是如何构成进化和生物智能的。

生物学家所受的训练是专注于生命系统工作原理，而不是其工作目的。生物学家应该研究出“如何”而不是“为什么”，追求因果关系而不是目标。但“为什么”不仅总是存在，而且正是重要驱使因素选择“如何”。生物体通过选择和利用特定的机制，从一个天文数字般的巨大的可能性空间中生存下来。例如，人眼的晶状体光学特性，只有当它们帮助光线聚焦在视网膜上才有意义。如果你不问为什么镜头是透明的，你永远不会理解它的功能，不管你花多长时间研究它是如何变得透明的。

随着“组学”革命的兴起，理解智能如何出现的问题变得越来越尖锐。“组学”革命产生了基因组、转录组、蛋白质组和连接组的系统、定量数据。生物系统正被解剖到其终极复杂性，但这种工作的终点并没有出现神奇答案。这是不是还原论的失败？各种类型的大数据并没有提供对生命系统更好的解释。如果有什么区别，就是让我们理解生物体更难了。

试图解释智能行为时，现代生物学面临着一个基本的知识鸿沟。一个由细胞和电信号组成的系统如何产生具有良好行为和精神状态的适应性身体？如果细胞不是智能的，那么智能行为如何从由它们组成的分布式系统中产生?这个基本的奥秘渗透在生物学中。从某种意义上说，所有的生物现象都是“群体决策”，因为生物体是由不同层次的个体组成。这些个体包括器官、组织、细胞、细胞器和分子。生命系统的什么特性使这群组件能够一起朝着更高层次的目标工作?

共同解决方案出现在两个不同领域：发育生物学和神经科学。论证分为三个步骤。

第一步，依赖于自然选择最早也是最好的设计理念之一:模块化。模块是独立的功能单元，就像建筑中的公寓一样。模块实现在某种程度上是自我维护和自我控制的本地目标。模块具有基本的解决问题的智能，并且它们相对独立于系统的其他部分，使它们能够在条件变化的情况下实现自己的目标。

在人类建筑中，不管其他公寓里发生了什么，住在公寓里的某个家庭可继续他们的正常生活，追求他们的目标，比如送孩子上学。例如，在身体中，像肝脏这样的器官具有特定的低水平功能，比如控制血液中的营养物质，相对于大脑中正在发生的事情是相对独立的。

第二步，是模块可在一个层次结构中组装:低级模块组合起来形成越来越复杂的高级模块，然后这些模块成为甚至是高级模块的新的构建块，以此类推。

在公寓大楼里，家庭可以属于一个地方协会，就像一个政党的地方分会，其目标可以是确保该地区所有家庭未来的福利。这个政党可以属于国家议会，其目标可以是塑造整个国家的政策，等等。在生物学中，不同器官可以属于一个有机体身体，其目标是保存自己和繁殖，不同有机体可以属于一个群落，就像蜂巢，其目标是为其成员维持一个稳定的环境。类似地，细胞的局部代谢和信号传递目标整合到构建和修复复杂器官的形态发生结果中。因此，越来越复杂的智能从模块的层次中出现。

这似乎解决了问题，只是层次模块化仍然不能解释进化(一次只改变较低级别的一个元素)如何能够操纵较高级别。假设高级关卡是由较低的杠杆构建的，那么你是否仍然需要同时修改大量内容才能改变高级模块呢?我们的参数的第三步解决了这个问题:每个模块都有一些关键元素，它们充当激活模块的控制旋钮或触发器点。这被称为模式完成，其中系统的一部分的激活将打开整个系统。在我们的公寓大楼里，这个家庭有一个核心人物，比如说父母中的一个，他将代表这个家庭参加会议，并在需要的时候参与其中。这些触发点代表了整个模块，从而使这些模块能够在新的环境下被激活、改变、灭活或部署，而不需要操纵或重新创建它们的所有部分。此外，模式完成很自然地从相互关联的元素系统中产生，这些元素之间有相互作用。

近年来，研究人员在神经回路和发育生物学中都发现了模式完成的证据。例如，当哥伦比亚大学的Luis Carrillo-Reid和他的同事们研究老鼠对视觉刺激的反应时，他们发现只要激活老鼠大脑中间的两个神经元就可以人为地触发视觉感知，从而导致特定的行为。这些迷人的模式完成神经元激活了编码视觉感知的小细胞模块，这些视觉感知被老鼠解释为真实的物体。同样，在2018年出版的工作，塔夫茨大学的迈克尔·莱文和克里斯托弗Martyniuk佛罗里达大学的回顾数据显示，如何通过触发一个简单的生物模式在非神经组织诱导细胞建立一个生长在新位置的眼睛。

经济学家赫伯特·西蒙(Herbert Simon)、神经学家瓦伦蒂诺·布莱滕贝格(Valentino Braitenberg)、计算机科学家马文·明斯基(Marvin Minsky)、进化生物学家利奥·巴斯(Leo Buss)、理查德·道金斯(Richard Dawkins)和大卫·黑格(David Haig)以及哲学家丹尼尔·c·丹尼特(Daniel C. Dennett)等人，此前已经探索过用层次模块化来解释生物智能的想法。这些来自发育生物学和神经科学的最新实验现在可以提供一个通过产生模式完成的关键节点如何工作的共同机制。虽然关于模式完成单元的工作方式还有很多需要学习的地方，但它们可以提供一个解决方案，来解决如何在不改变所有模块的情况下重新定义模块系统的问题。对局部目标追求模块的操纵，使它们在身体的多个组织规模上合作，是一个强大的引擎。它使进化能够利用细胞网络的集体智能，使用和重组在较低水平上发现的技巧，同时在噪声和不确定性的情况下保持鲁棒性。

就像棘轮一样，进化可以有效地爬上智力阶梯，从简单的分子一直延伸到认知。

层次模块化和模式完成可以帮助理解细胞和神经元在形态发生和大脑过程中的决策，产生适应性良好的动物和行为。研究生物领域的集体智慧是如何产生的，不仅可以帮助我们更好地理解进化和设计的过程和产品，还可以帮助我们设计人工智能系统，更广泛地说，可以帮助工程甚至社会科学。

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