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1、项目名称：特征捆绑和不变性知觉的脑认知功能成像首席科学家：陈霖 中国科学院生物物理研究所起止年限：2005-12-1依托部门：中国科学院 一、研究内容本申请的研究内容概括成如下的“P3”计划：“P3”计划组织一个共同的研究计划 (Project)：集中研究当代认知科学的前沿难题 “特征捆绑问题”建设一个共同的实验环境平台(Platform)：以功能磁共振成像为核心的认知科学实验环境创立一个新的原则(Principle)（或新的学说）：“大范围首先”（Global-first）学说正如上述“P3”计划所概括的，本申请的题目“特征捆绑问题和不变性知觉的脑认知功能成像研究”包括三重含义：（1）“特征
2、捆绑问题”是要集中研究的科学问题；（2）“不变性知觉”是解决特征捆绑这个重大难题的“新概念”；（3）“脑功认知能成像”是解决特征捆绑难题的、发展“大范围首先”不变性知觉理论的“新技术”。 “P3”计划的主要具体研究内容如下。P1. 共同的研究计划（Project）：集中研究当代认知科学的前沿难题 “特征捆绑问题”。我们将从不变性知觉的角度在不同认知层次、不同实验对象、不同实验方法开展高度跨学科、范围广泛的特征捆绑和知觉组织的研究。(一) 视知觉组织以及相关其它认知层次的不变性知觉的行为实验研究和脑认知功能成像。（二）中文阅读障碍的视觉和选择性注意失调的脑功能成像研究。（三）灵长类动物（猴）的不
3、变性知觉的电生理和组织解剖学研究。（四）利用高密度电极阵列的特征捆绑和不变性知觉的神经机制研究。（五）视觉不变性的脑结构基础与相关基因的研究。P2. 共同的实验环境平台（Platform）：建设一个以3T功能磁共振成象为核心的认知科学实验环境。为了实现创立一个新的原则的科学目标，特别是要使这个“整体首先”的知觉理论具有生物学的约束，我们必须建设一个以3T功能磁共振成象为核心的认知科学实验环境平台。本项目中将集中在两个方面:（1）功能磁共振成像方法和其它各种成像方法，包括脑磁图、脑电图、穿头颅磁场刺激、光成像和“高密度电极阵列”，的结合；（2）建设一个脑功能成像的实验数据共享及后处理软件平台和以
4、“特征捆绑问题”为专题的人脑认知功能图谱专业知识库。P3. 创立一个新的原则（Principle）：“大范围首先”学说通过“P1”和“P2”计划，创立“大范围首先”学说,其内涵是: 从“视觉过程是从哪里开始的”这个最基本的问题来分析，特别是从初期整体知觉的观点来看，特征捆绑问题是一个错误的、头足倒立的问题，强调初期整体知觉的“知觉组织”的研究将把这个颠倒的问题再颠倒回来；针对特征捆绑问题，从不变性知觉的角度对知觉组织特别是初期整体知觉以科学的描述，包括“大范围和局部”关系的科学系统的定义、大范围不变性知觉“首先”的生物学证据的约束。二、预期目标总体目标解决特征捆绑问题这个知觉领域的七大难题之一
5、，创立和发展在认知科学基础理论问题上作出原创性重大贡献的“大范围首先的”不变性知觉的系统理论。五年预期目标“10+1”目标:10篇以上国际顶尖级杂志论文和1本专著五年内，在发表一批（10篇以上）国际顶尖级杂志论文的同时，特别强调把发表1本专著作为创立“整体首先”新原则理论的标志性目标。这本专著题目暂定为“Feature Binding and Perceptual Organization: A Global-first Approach”。完成这个五年目标还包括建设一个以3T功能磁共振成象为核心的认知科学实验环境。五年内完成（1）功能磁共振成像方法和其它各种成像方法（包括脑磁图、脑电图、穿头
6、颅磁场刺激、光成像）的结合；（2）建设一个脑功能成像的实验数据共享及后处理软件平台和以“特征捆绑问题”为专题的人脑认知功能图谱专业知识库。通过本项目锻炼形成一支瞄准世界认知科学前沿、大跨度交叉学科的、有能力做出世界一流创新成果的优秀人才攻坚团队。通过本项目推动计算机科学和人工智能领域的特征捆绑问题的研究，包括并行分布的知识表达、基于不变性计算的计算机视觉模型。通过本项目推动对大脑的心理和生理疾病（特别是视觉系统损伤、老年病的视觉系统表现、阅读障碍症）机制的研究。三、研究方案1、实现项目五年预期目标的总体研究思路和项目研究的技术路线及可行性。特征捆绑问题 一个头足倒立的问题为什么特征捆绑这样一个
7、看来直接了当的问题如此困难？这样的看似简单却实质困难的难题提醒我们，这样的困难可能不是技术性的困难，我们应当追溯到引起特征捆绑问题的初期特征分析的最初假设，在初期特征分析的根本思路上有突破。我们认为，从“视觉过程是从哪里开始的”这个最基本的问题来分析，特别是从初期整体知觉的观点来看，特征捆绑问题产生于初期特征分析思路的特定的假设：因为认为各种特征性质在视觉过程的初期被分离抽提开来，因此才会产生必须反回来把它们捆绑到一起的问题。特征捆绑的问题本身可能是一个提法不当的问题，不仅是一个开头开错了的问题，简直就是一个头脚倒立的问题。要解决特征捆绑问题的困难，我们必须回到问题的最初出发点，重新思考“什么
8、是知觉信息的基本表达”这个最基本的问题，特别注重对这个问题的另一种可能的回答，即初期整体知觉思路的回答。在回答“视知觉过程是从哪里开始的”的问题上，视知觉的所有理论划分成两条基本路线：初期特征分析 由局部性质到大范围性质。“初期特征分析”的思路认为，知觉过程是“由局部性质到大范围性质”，知觉过程开始于把被知觉的物体分离成可分解的简单性质和组成部份，随后的知觉过程才在这些分解开来的特征性质的基础上识别出整个的物体。Marr为首的MIT的视觉的计算理论学派就是初期特征分析理论路线的典型代表，它的框架是建立在视知觉过程开始于计算最初阶段的表达“基本表达图”的假设之上，基本表达图被看成是图形的简单部分
9、及其局部几何性质，例如一定朝向的线段。初期整体知觉 由大范围性质到局部性质。与此完全相反，“初期整体知觉”的思路却认为，知觉过程是“由大范围性质到局部性质”，在对物体的性质或组成部份进行知觉的分析之前，视觉系统首先取得的是物体的整体性的知觉；只是在随后的阶段，如果需要的话，视觉系统才知觉物体的细节性质。格式塔心理学是这种初期整体知觉思路的代表学说。大家熟知的格式塔心理学的信条是“整体不是部分的简单的和”。特征捆绑和知觉组织：大范围和局部的关系问题。让我们进一步来分析特征捆绑的心理学含义，涉及什么样的知觉过程和功能。跟“知觉组织”（perceptual organization）的概念一样，特征
10、捆绑，即 把分别知觉到的各种分离的特征的表达结合在一起形成整个物体的表达，也涉及到图形和背景分离、图象分割、分组（grouping）、伴随出现（what goes with what）、相属关系(belongingness）等概念的研究。在这样的意义下，“特征捆绑”和“知觉组织”研究的是同样的问题，是类似的概念。在现代视知觉的研究中，初期特征分析的思路似乎取得了很大的成功，使人困惑的“整体性知觉”的难题似乎早已由初期特征分析的思路解决了。然而发人深省的是, 特征捆绑问题被提出，并成为当前认知科学的前沿中心问题，这样的事实告诉我们，知觉组织的概念所意味的整体性知觉的难题，既没有被解决，也没有被绕
11、过去，问题仍然存在在那里！经过了半个多世纪的初期特征分析思路的努力，我们在“知觉过程是从那里开始的”的根本问题上并没有取得突破。特征捆绑问题面临的深刻困难表明，知觉组织所意味的知觉整体性的问题仍然是理解视知觉不能不考虑的难题。知觉组织 把颠倒的特征捆绑问题再颠倒回来虽然看起来“特征捆绑”和“知觉组织”研究的是类似的问题。但是从“知觉过程从哪里开始的”的最基本的问题来看，“知觉组织”起源于格式塔心理学，代表了格式塔心理学强调初期整体知觉的核心思想。“特征捆绑问题”却根源于初期特征分析的假设，是初期特征分析思路的新表述。因此就“知觉过程从哪里开始的”的问题来看，“特征捆绑”和“知觉组织”是完全不同
12、的概念。“视觉过程从哪里开始的”问题的重新思考使我们认为，根源于初期整体知觉思路的格式塔心理学的概念“知觉组织”，提出了对“特征捆绑问题”的另一种基本出发点不同的分析。“知觉组织”研究的初期整体知觉的本质和规律，可能对特征捆绑的问题提供恰当的解决，把这个颠倒的问题再颠倒回来。大范围首先学说 如何建立知觉组织的科学系统描述“知觉组织”思想具有深刻和合理的内核 初期整体知觉，但是根源于格式塔心理学的知觉组织的概念有其自身的问题。就象其它格式塔心理学的概念一样，知觉组织的概念缺乏科学准确的描述。格式塔心理学的各种理论解释主要是依据含糊不清和难于定义的直觉的或心理作用的概念，不可避免地带有循环论的色彩
13、。由于格式塔概念缺乏准确科学的描述，它的又一个必然的弱点是，很难设计充分对照的科学实验。格式塔心理学的知觉组织的各种规律，基本上只是一些现象反应的罗列，而不是建立在严格实验基础上的规律。这样的理论和实验两方面的弱点使得格式塔理论似乎够不上现代科学的标准，因而落在现代心理科学发展的主流之外。格式塔思想的这些弱点妨碍了其合理内核 初期整体知觉 的发展。格式塔心理学缺乏科学性的弱点造成的不仅是它本身发展的严重障碍，更使人遗憾的是，造成了对“知觉过程从哪里开始的”这个最基本问题认识的长期混淆。特征捆绑问题就是这种混淆的一个典型。要克服格式塔理论的这些要害弱点，关键是要对知觉组织提出超越直觉的科学准确的
14、描述。建立知觉组织的科学描述面临着各种挑战。知觉组织的概念反映了一个最一般的事实，即我们知觉到的世界是由各种相互分离又自成整体的各种东西组成的。知觉组织的现象是太普通、太一般了，无处不在，无时不在，乃至人们常常认识不到知觉组织是我们知觉系统的一种功能，是需要解释的现象。由于还原论的影响，在现代认知科学研究中局部分析的倾向常常重于整体综合的倾向。一个典型的例子是，大量的研究集中到如何知觉某条线段的朝向，却很少有人注意到研究一个更一般的问题，即一条线段如何被知觉成一个单个整体的物体。这类非常一般的问题或者被忽视了，或者被认为是无关紧要乃至奇怪的问题。另一方面的挑战是：要使得知觉组织的理论具有解释的
15、力量，其赖以建立的基本概念必须比知觉组织的有关概念（诸如“大范围和局部”、“知觉物体”、“图形和背景分离”、“图象分割”、“分组”、“伴随出现”、“相属关系”等）更基本、更一般、更抽象。这些知觉组织的有关概念已经是非常基本、非常一般的概念了。究竟什么样的概念更基本、更一般，也更准确、更本质，适合知觉组织的科学理论的要求呢？大范围首先学说 知觉组织是变换下的不变性的知觉拓扑性质初期知觉理论的一个核心思想是，知觉组织应当从变换和变换下的不变性的知觉来理解。知觉组织的有关概念，诸如 “大范围和局部”、“图形和背景分离”、“图象分割”、“分组”、“相属关系”等，可能表明上看起来是静态的概念，但是这类概念只有从变换下的不变性的角度才能给予科学准确的定义。比较起把一个具体的东西跟另一个具体的东西区别开来的特征性质，知觉组织涉及到的性质总是具有整体性的本质。通常用来描述各种特征性质的数学概念，即便象“距离”或“测度”这样的看起来非常基本的数学概念，并不适合科学地描述知觉组织的核心思想 知觉整体性。比如，“分组”（grouping）这个知觉组织的规律，就不取决于诸如距离、朝向、长度等具体的几何性质。一个简单而具有代表性的现象是，我们可以把连接两点的线段作任意变形，改变粗细，改变长度乃至改变形状。但是，只要这两个点是由某种形状的曲线在空间上连接在一起的，它们就会形成是一个整体的知觉。这样的无
