大腦的“出廠設置”很強大！嬰兒天生就會統(tǒng)計推理

出品：科普中國
制作：張舒喻
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

“云朵為什么在天空中飄動？”

“因為我想要它動。”

類似的對話常常發(fā)生在大人與小孩之間。幼兒的回答雖然充滿童趣，但卻讓人一頭霧水。兒童心理學先驅(qū)讓·皮亞杰曾表示，幼兒的想法毫無理性和邏輯可言。

兒童心理學先驅(qū)讓·皮亞杰 (圖片來源：維基百科)

然而，在記錄蘇格拉底對話的《美諾篇》中講述了一個故事，這位西方哲學的奠基人引導一個從未受過教育的倒酒小童奴，逐步完成了一個幾何證明。

蘇格拉底認為，小男孩在沒有學過幾何學的情況下，就能完成定理的證明，這表明，年幼的孩子必定比我們想象中懂得更多。

西方哲學奠基人蘇格拉底的雕像 （圖片來源：維基百科）

得益于數(shù)字技術的發(fā)展，通過設計巧妙的實驗，科學家能夠從嬰幼兒的行為反應中洞察秋毫，發(fā)現(xiàn)曾被主流心理學界嚴重低估的理性思維。最近20多年的研究證實，蘇格拉底的觀點或許才是正確的。

現(xiàn)代認知科學指出，嬰幼兒的大腦就像是大自然精心打造的“超級計算機”，十分擅長從統(tǒng)計規(guī)律中學習。

嬰幼兒的“計算腦”

18世紀英國數(shù)理統(tǒng)計學家、哲學家，概率論的創(chuàng)立者——托馬斯·貝葉斯認為，學習就是認識各種可能性發(fā)生的概率。

如今，貝葉斯的概率論已成為21世紀計算機科學和人工智能的基礎。計算機科學家運用“概率模型”（貝葉斯模型）開發(fā)了一種全新的機器學習程序。

以艾莉森·高普尼克為代表的一批認知心理學家，率先運用該數(shù)學模型來解釋兒童的大腦如何學習。

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概率模型基于邏輯假設和數(shù)學概率。高普尼克認為，嬰幼兒的大腦可能以相似的機制，把自己對周圍事物的各種假設與各類事件發(fā)生的概率聯(lián)系起來。在不斷積累的證據(jù)或經(jīng)驗中，當某些情況經(jīng)常出現(xiàn)時，嬰幼兒便能發(fā)現(xiàn)其中的“模式”或“規(guī)律”。

“喜新厭舊”有道理

1996年，《科學》刊發(fā)了珍妮·薩弗蘭的一篇極具開創(chuàng)性的論文。文章指出，即使8個月大的小嬰兒也已經(jīng)對統(tǒng)計規(guī)律十分敏感了。

設想你是一個躺在搖籃中的寶寶，已經(jīng)聽了8個月的“媽媽語”，常常被夸贊是個“漂亮寶貝”。

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一段時間后，你可能就會運用自己統(tǒng)計的信息，即“漂”后面總會跟著“亮”，“寶”后面經(jīng)常接著“貝”。但是，單獨的“亮”后面很少跟著“寶”。

由此，你就學會了“漂”和“亮”、“寶”和“貝”分別組合起來都是詞語，但“亮寶”就不是。

為了進一步驗證小嬰兒是否真的具有統(tǒng)計能力，薩弗蘭給他們播放了一長串無意義的，中間沒有停頓的，有多種組合方式的音節(jié)（如，bidakupadotigola……）。

這個實驗方法依賴的前提是：嬰兒更喜歡新鮮事物。如果給嬰兒反復播放同一段聲音，他們會感到無聊，把頭轉向別處。此時若播放新的聲音，他們就會重新轉向聲音源并注意傾聽。

在一串音節(jié)中，“ga”始終跟在“ba”后面出現(xiàn)，而“da”則不一定跟在“ba”后面。隨后，給嬰兒播放單獨出現(xiàn)的無意義詞語，如“bada”或“baga”。

結果顯示，嬰兒會對小概率事件感興趣，他們更喜歡聽到“bada”。嬰兒的確會無意識地運用統(tǒng)計規(guī)律來預測哪些音節(jié)更有可能一起出現(xiàn)。

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這種發(fā)現(xiàn)概率模式的能力也體現(xiàn)在對動作的觀察中。在戴爾·伯德溫的嬰兒實驗室中，研究人員對10個月大的寶寶做出含有4種可預測模式的奇特連貫動作。

每個模式中都有固定順序的3個基本動作，包括：“吹”瓶口、“摸”瓶壁、“搖晃”瓶身、“放入”杯中、“敲碰”杯子、“擦拭”瓶口。

研究人員不斷地重復這些模式，當發(fā)現(xiàn)嬰兒感到厭倦以后，便開始測試。如果3個基本動作以新的順序重新組合，嬰兒就會露出驚訝的神情，全神貫注地觀看。反之，他們就會興致大失，并轉移視線。

假裝隨機？想騙誰呢！

人工智能科學家指出，人類智能與機器智能的很大區(qū)別在于，人類能夠從少量經(jīng)驗中學習。憑借強大的“出廠設置”，嬰幼兒天生就懂得從少量的數(shù)據(jù)或證據(jù)中，進行歸納總結。比如，如果一個皮球能從地面彈跳起來，那么，所有皮球都具備這種特性。

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可是別忘了，推而廣之的重要前提是，樣本要具有代表性。那么，嬰幼兒是否會像統(tǒng)計學家那樣很在意這一點呢？

勞拉·舒爾茨開展了一項“雙色球”實驗。其中包括兩種實驗條件：“隨機取樣”和“選擇取樣”。

在“隨機取樣”中，研究人員會給15個月大的嬰兒看一個幾乎裝滿藍色球，只有極少數(shù)黃色球的箱子。然后，從中連續(xù)取出3個藍色球，每取出一個就將它捏響，之后擺放在嬰兒面前。接著，研究人員取出一個黃色球給嬰兒玩。

嬰兒拿到球后，立馬就開始捏它。這表明，嬰兒認為那3個藍色球是隨機樣本，如果藍色球能被捏響，那么，也許箱子里的所有球（包括黃色球）也能被捏響。

而在“選擇取樣”中，箱子里幾乎全是黃色球，藍色球很少。研究人員連續(xù)選擇3個藍色球，并示范將它們捏響。然后，遞給嬰兒一個黃色球。

情況發(fā)生了逆轉：這個嬰兒對黃色球一點兒都不感興趣。她把黃色球扔到一旁，伸手去夠藍色球。

可見，嬰兒認為這并不是令人信服的隨機取樣，她覺得選擇藍色球是有特殊原因的，也許只有藍色球才能被捏響。

在“隨機取樣”條件下（左），嬰兒捏黃色球的概率，明顯大于“選擇取樣”條件下（右），圖片經(jīng)過編輯

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舒爾茨還做了一個有趣的猜想：假設從幾乎全是黃色球的箱子里，只取出一個藍色球，這也是一種合理的隨機取樣。

如果藍色球能被捏響，那么很可能箱子里所有的球都能被捏響。此時，遞給嬰兒一個黃色球，捏球的機率就會上升。結果，實驗數(shù)據(jù)與她的猜想是一致的。

嬰兒認為，從絕大多數(shù)是黃色球的箱子里，取出一個藍色球，是一種合理的隨機取樣。既然藍色球能被捏響，那么，箱子里的其他球，比如，這個黃色球或許也能被捏響。在該取樣條件下，嬰兒捏黃色球的概率，相對于“選擇取樣”條件下（中），會顯著增大（見紅框標記處），圖片經(jīng)過編輯

圖片來源：參考文獻2

看來，15個月大的嬰兒是一位思維縝密的統(tǒng)計學家，在做出判斷前，十分看重取樣的隨機性。

不會玩or玩具壞了？這是一個問題

舒爾茨更驚人的發(fā)現(xiàn)于2011年被《科學》收錄。實驗思路是，嬰兒想玩玩具，但多次嘗試后都沒有成功。那么，是自己不會玩還是玩具壞了呢？

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實驗有兩種對照情境，每種情境只支持其中一種可能性。她想知道，16個月大的嬰兒能否依據(jù)不同的概率分布模式，進行相應的因果推理。

在兩種情境中，舒爾茨及其研究助手都會給孩子示范玩具的玩法，即按住玩具頂部的機關，就會播放音樂?？偣彩痉端拇危咳藝L試兩次。其中，兩次成功，兩次失敗。

所不同的是，在一種情境中，舒爾茨的兩次嘗試都失敗，而研究助手兩次示范都成功；在另一種情境中，舒爾茨和研究助手分別成功一次，失敗一次。示范結束后，研究助手把這個玩具放在孩子面前，同時將一個新玩具放在一旁。

神奇的事情發(fā)生了：在前一種情境中，孩子認為成功的關鍵在于人。當自己嘗試幾次失敗后，便向坐在旁邊的媽媽求助；

而在后一種情境中，孩子認為能否成功，跟人沒有關系，而與玩具本身有關。或許玩具時好時壞吧。當自己嘗試幾次失敗后，就換新玩具玩。

當孩子認為問題在于人時（左），更可能會求助他人；當孩子認為問題在玩具本身時（右），則更可能會換玩具，圖片經(jīng)過編輯

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柏拉圖曾問道：“我們?nèi)绾蔚弥P于這個世界的真理？”認知科學的回答是：當我們還是小嬰兒時，大腦中似乎就已經(jīng)預裝了統(tǒng)計分析方法的程序。年幼的孩子能夠無意識地運用因果推理機制，來理解周遭的世界如何運轉。

作家馬克·吐溫曾這樣風趣地描述科學的美妙：“只需瑣碎的付出，就能得到一整套理論的回報?！毙坌牟目茖W家們希望能通過對嬰幼兒的思維發(fā)展研究，來勾勒出人類認知地圖的全貌。

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我們曾經(jīng)都是年幼的孩子，從某種意義上說，探究如何成為現(xiàn)在的自己是一件無比神圣的事情。研究嬰幼兒的心智潛能，讓我們得以用全新的視角，去理解人類大腦的運作，并為人工智能的發(fā)展帶來無限靈感。

難怪發(fā)展心理學家約翰·弗拉維爾曾感慨，如果能有機會透過孩子的眼睛去看世界，哪怕只有幾分鐘的時間，他也愿意不計代價去交換。

參考資料：

1.艾莉森·高普尼克 （2019）孩子如何思考 浙江人民出版社

2.Gweon, H., Tenenbaum, J.B., & Schulz, L.E. (2010). Infants consider both the sample and the sampling process in inductive generalization. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(20), 9066-9071.

3.Gweon, H., & Schulz, L.E. (2011). 16-Month-Olds Rationally Infer Causes of Failed Actions. Science, 332(6037), 1524.

4.The surprisingly logical minds of babies

https://www.ted.com/talks/laura_schulz_the_surprisingly_logical_minds_of_babies