大腦的“出廠設(shè)置”很強(qiáng)大！嬰兒天生就會(huì)統(tǒng)計(jì)推理

出品：科普中國(guó)
制作：張舒喻
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

“云朵為什么在天空中飄動(dòng)？”

“因?yàn)槲蚁胍鼊?dòng)?！?/p>

類似的對(duì)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(xué)先驅(qū)讓·皮亞杰曾表示，幼兒的想法毫無(wú)理性和邏輯可言。

兒童心理學(xué)先驅(qū)讓·皮亞杰 (圖片來(lái)源：維基百科)

然而，在記錄蘇格拉底對(duì)話的《美諾篇》中講述了一個(gè)故事，這位西方哲學(xué)的奠基人引導(dǎo)一個(gè)從未受過(guò)教育的倒酒小童奴，逐步完成了一個(gè)幾何證明。

蘇格拉底認(rèn)為，小男孩在沒(méi)有學(xué)過(guò)幾何學(xué)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(xué)奠基人蘇格拉底的雕像 （圖片來(lái)源：維基百科）

得益于數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)設(shè)計(jì)巧妙的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家能夠從嬰幼兒的行為反應(yīng)中洞察秋毫，發(fā)現(xiàn)曾被主流心理學(xué)界嚴(yán)重低估的理性思維。最近20多年的研究證實(shí)，蘇格拉底的觀點(diǎn)或許才是正確的。

現(xiàn)代認(rèn)知科學(xué)指出，嬰幼兒的大腦就像是大自然精心打造的“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，十分擅長(zhǎng)從統(tǒng)計(jì)規(guī)律中學(xué)習(xí)。

嬰幼兒的“計(jì)算腦”

18世紀(jì)英國(guó)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)家、哲學(xué)家，概率論的創(chuàng)立者——托馬斯·貝葉斯認(rèn)為，學(xué)習(xí)就是認(rèn)識(shí)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(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)科學(xué)家運(yùn)用“概率模型”（貝葉斯模型）開(kāi)發(fā)了一種全新的機(jī)器學(xué)習(xí)程序。

以艾莉森·高普尼克為代表的一批認(rèn)知心理學(xué)家，率先運(yùn)用該數(shù)學(xué)模型來(lái)解釋兒童的大腦如何學(xué)習(xí)。

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概率模型基于邏輯假設(shè)和數(shù)學(xué)概率。高普尼克認(rèn)為，嬰幼兒的大腦可能以相似的機(jī)制，把自己對(duì)周圍事物的各種假設(shè)與各類事件發(fā)生的概率聯(lián)系起來(lái)。在不斷積累的證據(jù)或經(jīng)驗(yàn)中，當(dāng)某些情況經(jīng)常出現(xiàn)時(shí)，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(xué)》刊發(fā)了珍妮·薩弗蘭的一篇極具開(kāi)創(chuàng)性的論文。文章指出，即使8個(gè)月大的小嬰兒也已經(jīng)對(duì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律十分敏感了。

設(shè)想你是一個(gè)躺在搖籃中的寶寶，已經(jīng)聽(tīng)了8個(gè)月的“媽媽語(yǔ)”，常常被夸贊是個(gè)“漂亮寶貝”。

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一段時(shí)間后，你可能就會(huì)運(yùn)用自己統(tǒng)計(jì)的信息，即“漂”后面總會(huì)跟著“亮”，“寶”后面經(jīng)常接著“貝”。但是，單獨(dú)的“亮”后面很少跟著“寶”。

由此，你就學(xué)會(huì)了“漂”和“亮”、“寶”和“貝”分別組合起來(lái)都是詞語(yǔ)，但“亮寶”就不是。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證小嬰兒是否真的具有統(tǒng)計(jì)能力，薩弗蘭給他們播放了一長(zhǎng)串無(wú)意義的，中間沒(méi)有停頓的，有多種組合方式的音節(jié)（如，bidakupadotigola……）。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)方法依賴的前提是：嬰兒更喜歡新鮮事物。如果給嬰兒反復(fù)播放同一段聲音，他們會(huì)感到無(wú)聊，把頭轉(zhuǎn)向別處。此時(shí)若播放新的聲音，他們就會(huì)重新轉(zhuǎn)向聲音源并注意傾聽(tīng)。

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(dú)出現(xiàn)的無(wú)意義詞語(yǔ)，如“bada”或“baga”。

結(jié)果顯示，嬰兒會(huì)對(duì)小概率事件感興趣，他們更喜歡聽(tīng)到“bada”。嬰兒的確會(huì)無(wú)意識(shí)地運(yùn)用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)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(duì)動(dòng)作的觀察中。在戴爾·伯德溫的嬰兒實(shí)驗(yàn)室中，研究人員對(duì)10個(gè)月大的寶寶做出含有4種可預(yù)測(cè)模式的奇特連貫動(dòng)作。

每個(gè)模式中都有固定順序的3個(gè)基本動(dòng)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(fù)這些模式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)嬰兒感到厭倦以后，便開(kāi)始測(cè)試。如果3個(gè)基本動(dòng)作以新的順序重新組合，嬰兒就會(huì)露出驚訝的神情，全神貫注地觀看。反之，他們就會(huì)興致大失，并轉(zhuǎn)移視線。

假裝隨機(jī)？想騙誰(shuí)呢！

人工智能科學(xué)家指出，人類智能與機(jī)器智能的很大區(qū)別在于，人類能夠從少量經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。憑借強(qiáng)大的“出廠設(shè)置”，嬰幼兒天生就懂得從少量的數(shù)據(jù)或證據(jù)中，進(jìn)行歸納總結(jié)。比如，如果一個(gè)皮球能從地面彈跳起來(lái)，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(huì)像統(tǒng)計(jì)學(xué)家那樣很在意這一點(diǎn)呢？

勞拉·舒爾茨開(kāi)展了一項(xiàng)“雙色球”實(shí)驗(yàn)。其中包括兩種實(shí)驗(yàn)條件：“隨機(jī)取樣”和“選擇取樣”。

在“隨機(jī)取樣”中，研究人員會(huì)給15個(gè)月大的嬰兒看一個(gè)幾乎裝滿藍(lán)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(gè)藍(lán)色球，每取出一個(gè)就將它捏響，之后擺放在嬰兒面前。接著，研究人員取出一個(gè)黃色球給嬰兒玩。

嬰兒拿到球后，立馬就開(kāi)始捏它。這表明，嬰兒認(rèn)為那3個(gè)藍(lán)色球是隨機(jī)樣本，如果藍(lán)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(lán)色球很少。研究人員連續(xù)選擇3個(gè)藍(lán)色球，并示范將它們捏響。然后，遞給嬰兒一個(gè)黃色球。

情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)：這個(gè)嬰兒對(duì)黃色球一點(diǎn)兒都不感興趣。她把黃色球扔到一旁，伸手去夠藍(lán)色球。

可見(jiàn)，嬰兒認(rèn)為這并不是令人信服的隨機(jī)取樣，她覺(jué)得選擇藍(lán)色球是有特殊原因的，也許只有藍(lán)色球才能被捏響。

在“隨機(jī)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(guò)編輯

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舒爾茨還做了一個(gè)有趣的猜想：假設(shè)從幾乎全是黃色球的箱子里，只取出一個(gè)藍(lán)色球，這也是一種合理的隨機(jī)取樣。

如果藍(lán)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(shí)，遞給嬰兒一個(gè)黃色球，捏球的機(jī)率就會(huì)上升。結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與她的猜想是一致的。

嬰兒認(rèn)為，從絕大多數(shù)是黃色球的箱子里，取出一個(gè)藍(lán)色球，是一種合理的隨機(jī)取樣。既然藍(lán)色球能被捏響，那么，箱子里的其他球，比如，這個(gè)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(duì)于“選擇取樣”條件下（中），會(huì)顯著增大（見(jiàn)紅框標(biāo)記處），圖片經(jīng)過(guò)編輯

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看來(lái)，15個(gè)月大的嬰兒是一位思維縝密的統(tǒng)計(jì)學(xué)家，在做出判斷前，十分看重取樣的隨機(jī)性。

不會(huì)玩or玩具壞了？這是一個(gè)問(wèn)題

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

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實(shí)驗(yàn)有兩種對(duì)照情境，每種情境只支持其中一種可能性。她想知道，16個(gè)月大的嬰兒能否依據(jù)不同的概率分布模式，進(jìn)行相應(yīng)的因果推理。

在兩種情境中，舒爾茨及其研究助手都會(huì)給孩子示范玩具的玩法，即按住玩具頂部的機(jī)關(guān)，就會(huì)播放音樂(lè)。總共示范四次，每人嘗試兩次。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(jié)束后，研究助手把這個(gè)玩具放在孩子面前，同時(shí)將一個(gè)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(rèn)為成功的關(guān)鍵在于人。當(dāng)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(rèn)為能否成功，跟人沒(méi)有關(guān)系，而與玩具本身有關(guān)。或許玩具時(shí)好時(shí)壞吧。當(dāng)自己嘗試幾次失敗后，就換新玩具玩。

當(dāng)孩子認(rèn)為問(wèn)題在于人時(shí)（左），更可能會(huì)求助他人；當(dāng)孩子認(rèn)為問(wèn)題在玩具本身時(shí)（右），則更可能會(huì)換玩具，圖片經(jīng)過(guò)編輯

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3

柏拉圖曾問(wèn)道：“我們?nèi)绾蔚弥P(guān)于這個(gè)世界的真理？”認(rèn)知科學(xué)的回答是：當(dāng)我們還是小嬰兒時(shí)，大腦中似乎就已經(jīng)預(yù)裝了統(tǒng)計(jì)分析方法的程序。年幼的孩子能夠無(wú)意識(shí)地運(yùn)用因果推理機(jī)制，來(lái)理解周遭的世界如何運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

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我們?cè)?jīng)都是年幼的孩子，從某種意義上說(shuō)，探究如何成為現(xiàn)在的自己是一件無(wú)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(yùn)作，并為人工智能的發(fā)展帶來(lái)無(wú)限靈感。

難怪發(fā)展心理學(xué)家約翰·弗拉維爾曾感慨，如果能有機(jī)會(huì)透過(guò)孩子的眼睛去看世界，哪怕只有幾分鐘的時(shí)間，他也愿意不計(jì)代價(jià)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