AI的定位和導航類似于大腦的位置細胞和網格細胞

近日，DeepMind 在 Nature 上發(fā)表的一篇論文引起 AI 領域和神經科學領域的極大震撼：AI 展現(xiàn)出與人腦 “網格細胞” 高度一致的空間導航能力。甚至有些學者認為，憑著這篇論文，DeepMind 的作者有可能問鼎諾貝爾獎。本文作者鄧侃博士對這篇突破性的論文進行了解讀。

Google 麾下的 DeepMind 公司，不僅會下圍棋，而且寫的論文也頂呱呱。

2018/5/10，今天的微信朋友圈，被DeepMind 一篇論文刷屏了。論文發(fā)表在最近一期 Nature 雜志上，題目是Vector-based navigation using grid-like representations in artificial agents [1]。

有些學者認為，憑著這篇論文，DeepMind 的作者有可能問鼎諾貝爾獎[2]。

重要意義：AI的定位和導航類似于大腦的位置細胞和網格細胞

其實這篇論文是DeepMind 人工智能團隊，與 University College of London（UCL） 的生物學家，合作的產物。

對空間的定位和導航能力，是生物的本能。早在 1971 年，UCL 的生理學教授 John O'Keefe 在大腦海馬體中，發(fā)現(xiàn)了位置細胞（Place Cell）。隨后 O'Keefe 的學生，Moser 夫婦于 2005 年發(fā)現(xiàn)，在大腦內嗅皮層，存在一種更為神奇的神經元，網格細胞（Grid Cell）。在運動過程中，生物的網格細胞，把空間分割為蜂窩那樣的六邊形，并且把運動軌跡記錄在蜂窩狀的網格上。

2014 年的諾貝爾生理學/醫(yī)學獎，頒發(fā)給了John O'Keefe 和Moser 夫婦。

人工智能深度學習模型，經常被詬病的一大軟肋，是缺乏生理學理論基礎。深度學習模型中的隱節(jié)點的物理意義，也無法解釋。

DeepMind 和 UCL 合著的 Nature 論文，發(fā)現(xiàn)深度學習模型中隱節(jié)點，與腦內的位置細胞和網格細胞，這兩者的激活機制和數(shù)值分布，非常相似，幾乎呈一一對應的關系。

Extended Data Fig 3.d：第一行，深度學習模型的隱節(jié)點的激活機制和數(shù)值分布。第二行，Moser 夫婦發(fā)現(xiàn)的網格細胞的蜂窩狀數(shù)值分布。深度學習隱節(jié)點與網格細胞的數(shù)值分布，極為相似。第三行，數(shù)值分布所揭示的空間定位及運動方向。

這篇論文，之所以引起學界轟動，原因在于證明了，把深度學習模型用于空間的定位和導航，其隱節(jié)點的物理意義，類似于大腦的位置細胞和網格細胞。進一步猜想，深度學習模型的定位和導航的計算過程，很可能與大腦的定位和導航的生理機制，也極為相似。

為什么DeepMind 熱衷于玩游戲？

面向空間定位和導航的深度學習模型，有哪些應用場景呢？DeepMind 把這個技術用于玩電子游戲，類似于 “反恐精英”（Counter Strike）那樣的走迷宮射殺***的游戲。

DeepMind 下完圍棋以后，玩初級電子游戲，現(xiàn)在升級了，改玩高級游戲了。為什么DeepMind 那么熱衷于游戲呢？

游戲是仿真系統(tǒng)，一切盡在掌控之中，想要什么數(shù)據(jù)，就能獲取什么數(shù)據(jù)。所以，每條數(shù)據(jù)，都很全面，不會有數(shù)據(jù)丟失。

同時，只要多雇一些玩家，多花一點時間，要多少訓練數(shù)據(jù)，就有多少訓練數(shù)據(jù)。

用游戲來驗證深度學習模型，非常方便。這是 DeepMind 熱衷于玩游戲的原因。同時，因為能夠快速地獲取數(shù)據(jù)，DeepMind 對于深度學習和強化學習研究，領先世界。

Figure 3. DeepMind 把基于深度學習的空間定位和導航技術，應用于反恐精英（Counter Strike）游戲。

問題是，把適用于游戲的深度學習模型，移用到真實世界，解決實際問題，是否仍然有效？

同是 Google 麾下兄弟，Google Brain 更注重解決實際問題，兄弟倆各有千秋。Google Brain 開發(fā)的 Tensorflow成為工程利器，而 DeepMind 的論文，提供新方法，引領研究前沿。

深度學習仿真位置和網格細胞的論文，技術上有什么創(chuàng)新？

短的答案，沒有獨特的創(chuàng)新。

長的答案，得先講講馬爾科夫和強化學習。

強化學習（Reinforcement Learning）是機器學習的一個重要分支，它試圖解決決策優(yōu)化的問題。所謂決策優(yōu)化，是指面對特定狀態(tài)（State，S），采取什么行動方案（Action，A），才能使收益最大（Reward，R）。很多問題都與決策優(yōu)化有關，從下棋，到投資，到課程安排，到駕車，到走迷宮等等。

AlphaGo 的核心算法，就是強化學習。AlphaGo不僅穩(wěn)超勝券地戰(zhàn)勝了當今世界所有人類高手，而且甚至不需要學習人類棋手的棋譜，完全靠自己摸索，在短短幾天內，發(fā)現(xiàn)并超越了一千多年來人類積累的全部圍棋戰(zhàn)略戰(zhàn)術。

最簡單的強化學習的數(shù)學模型，是馬爾科夫決策過程（Markov Decision Process，MDP）。之所以說 MDP 是一個簡單的模型，是因為它對問題做了很多限制。

1. 面對的狀態(tài) s_{t}，數(shù)量 t = 1... T，T 是有限的。

2. 采取的行動方案 a_{t}，數(shù)量t = 1... T，T也是有限的。

3.對應于特定狀態(tài) s_{t}，當下的收益 r_{t} 是明確的。

4. 在某一個時刻 t，采取了行動方案 a_{t}，狀態(tài)從當前的 s_{t} 轉換成下一個狀態(tài) s_{t+1}。下一個狀態(tài)s_{t+1}有多種可能，從當前狀態(tài) s_{t}轉換到下一個狀態(tài)中的某一種狀態(tài)的概率，稱為轉換概率。但是轉換概率，只依賴于當前狀態(tài) s_{t}，而與先前的狀態(tài)，s_{t-1}, s_{t-2} ... 無關。

解決馬爾科夫決策過程問題的常用的算法，是動態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming）。

對馬爾科夫決策過程的各項限制，不斷放松，研究相應的算法，是強化學習的目標。

例如對狀態(tài) s_{t}放松限制，

1. 假如狀態(tài) s_{t} 的數(shù)量t = 1... T，T雖然有限，但是數(shù)量巨大，或者有數(shù)量無限，如何改進算法？

2.假如狀態(tài) s_{t} 不能完全確定，只能被部分觀察到，剩余部分被遮擋或缺失，如何改進算法？

3. 假如轉換概率，不僅依賴于當前狀態(tài)，而且依賴于先前的運動軌跡，如何改進算法？

4. 假如遇到先前沒有遇見過的新狀態(tài)s_{t}，有沒有可能在以往遇見過的狀態(tài)中，找到相似狀態(tài)，從而估算轉換概率，估算收益？

Extended Data Fig 5. 用GridLSTM 來總結以往的運動軌跡，并加上神經網絡 g 來判別當前的空間定位和運動方向。然后基于對當前的空間定位和導航的判斷，用另一個 LSTM 來估算狀態(tài)轉換概率，從而決定導航策略。

這篇論文用深度學習模型，來仿真位置和網格細胞。具體來說，

1.用 CNN 來處理圖像，找到周邊環(huán)境中的標志物，用于識別當前的空間位置。

2. 把圖像處理的結果，與以往的運動軌跡相結合，用GridLSTM 來估算當前的狀態(tài)。

3. 把GridLSTM 估算出的當前狀態(tài)，經過一個神經網絡 g 的再加工，得到類似于位置細胞和網格細胞的隱節(jié)點。

4. 把當前的位置和運動方向，以及目標的位置，作為第二個 LSTM 模型的輸入，確定導航決策。

上述所有模塊，都是現(xiàn)成技術的集成，并無顯著創(chuàng)新。