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科学 / warren-mcculloch

沃伦·麦卡洛克

沃伦·麦卡洛克是美国神经生理学家,其研究将神经活动、数理逻辑与控制论联系起来。

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沃伦·斯特吉斯·麦卡洛克(1898年11月16日—1969年9月24日)是美国神经生理学家,也是推动控制论发展的重要人物。他的研究将对大脑的实验研究与神经系统如何体现逻辑学和知识的问题结合起来。1943年,他与沃尔特·皮茨共同发表了一篇以数学方式描述神经网络的论文,为人工神经网络和人工智能奠定了重要基础。他的职业生涯贯穿医学研究、数学建模以及跨学科科学活动的组织工作。(search.amphilsoc.org)

教育与研究生涯

麦卡洛克出生于新泽西州奥兰治。他先在哈弗福德学院就读,随后在耶鲁大学学习哲学和心理学,于1921年获得学士学位。1923年,他获得哥伦比亚大学心理学硕士学位,1927年又获得该校内外科医学院的医学学位。此后,他在贝尔维尤医院接受训练,并在罗克兰州立医院接受精神科住院医师培训。(search.amphilsoc.org)

1934年,他进入耶鲁大学医学院,专注于神经生理学研究与教学。1941年,他转赴位于芝加哥的伊利诺伊大学医学院,担任精神病学副教授;1945年升任精神病学教授及生理学临床教授。据麻省理工学院当时发布的讣告记载,他于1952年加入麻省理工学院电子学研究实验室。在那里,他的研究将神经系统的组织方式与电子系统及计算系统的研究直接联系起来。(cdn.libraries.mit.edu)

麦卡洛克—皮茨模型

麦卡洛克和皮茨的论文《神经活动中内在观念的逻辑演算》于1943年12月发表在《数学生物物理学公报》上。该文以神经元放电的全或无特性为出发点,运用命题逻辑描述神经活动。两位作者将两项任务联系起来:一是描述既有网络的逻辑行为,二是构建能够实现适当给定的逻辑表达式的网络。(doi.org)

麦卡洛克—皮茨神经元是一种理想化的神经元,而非对生理过程的细致模拟。它只有激活和未激活两种状态。只有达到固定数量的兴奋性突触被激活时,它才会放电;而任何激活的抑制性输入都会完全阻止其放电。该模型假定连接固定不变,并将突触延迟视为信号传递中的主要延迟。这些假设使网络行为能够得到数学分析。(home.csulb.edu)

由此类单元组成的网络能够实现布尔代数中的运算,包括合取、析取和否定。对于含有环路的网络,除了当前输入,还必须考虑先前的活动。这些环路使兴奋得以持续,从而为表示网络对过去事件的依赖提供了一种形式化方法。因此,这篇论文将神经系统的组织方式与逻辑计算联系起来,但并未声称仅凭逻辑等价性就能解释所有生理机制。(doi.org)

知觉与实验研究

两人的合作继续推进,并于1947年发表了《我们如何认识共相:听觉与视觉形式的知觉》。这项研究探讨了神经回路如何在感官呈现发生变化时仍能支持对形式的识别。它关注的不仅是神经元能否执行逻辑运算,还包括网络如何从变化的输入中提取相对稳定的属性;这一问题将神经科学与知觉研究联系起来。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

麦卡洛克也参与了实验研究。1959年,杰罗姆·莱特文、温贝托·马图拉纳、麦卡洛克和皮茨共同发表了《蛙眼告诉蛙脑什么》。他们记录蛙视神经中单根神经纤维的活动,考察哪些视觉图样会引发强烈反应。他们区分出与不同局部图样相关的四类反应,而不是简单地将视神经视为传递光强度的通道。(informationphilosopher.com)

研究结果表明,信号到达大脑之前,蛙的视网膜已经完成了大量信息处理。这篇论文将实验生理学与感觉表征及特征提取问题联系起来。作者明确将其解释限定于蛙,并未将研究结果当作适用于所有物种的完整视觉解释。(informationphilosopher.com)

控制论与梅西会议

麦卡洛克主持了1946年至1953年间举行的十次梅西会议。这些会议汇集了数学、神经生理学、工程学、心理学和社会科学领域的研究者,共同讨论生物体与机器中的通信、反馈和循环因果过程。与会者包括诺伯特·维纳、约翰·冯·诺依曼和皮茨。尽管与会者并未共同持有一套统一的综合理论,这些会议仍为控制论研究营造了跨学科环境。(asc-cybernetics.org)

麦卡洛克的职责包括介绍神经网络思想,并帮助维持跨学科讨论。1967年,他成为美国控制论学会的首任会长。与理论论文和实验室合作一样,这些组织活动也是他科学生涯的重要组成部分。(asc-cybernetics.org)

实验认识论与文集

麦卡洛克将自己的学术探索称为实验认识论,即研究作为物理系统的神经系统如何使知识成为可能。这一研究方向将认识论和心灵哲学与生理学研究联系起来,而不是将有关认识的问题仅仅视为抽象问题。他的文集《心智的具现》于1965年由麻省理工学院出版社首次出版,收录了21篇论文和演讲,内容涵盖神经模型、知觉、机器及哲学问题,此外还收录了诗歌和十四行诗。(mitpress.mit.edu)

理解他的神经模型时,始终需要注意其适用范围。1943年的模型将网络结构设定为固定不变,并未提供从数据中学习连接的方法。麦卡洛克和皮茨承认,学习以生理变化为基础,并区分了形式上的等价与对实际现象的解释。因此,他们的成就在于建立了一个数学框架,用于研究给定网络能够完成哪些任务,而不是完整解释生物大脑如何发育或学习。(home.csulb.edu)