深度學(xué)習(xí)可以無(wú)需人類(lèi)幫助擊敗世界上任何一位圍棋選手，還能在幾秒鐘識(shí)別人臉，但是直到現(xiàn)在，深度學(xué)習(xí)算法都無(wú)法做到一項(xiàng)看似簡(jiǎn)單的事情：空間感知。

大多數(shù)動(dòng)物，包括人類(lèi)，都能在生活的環(huán)境中靈活地導(dǎo)航，比如探索新領(lǐng)域、快速返回之前的地方或者抄近路。繞過(guò)障礙物、記住某個(gè)商店、在哪個(gè)路口轉(zhuǎn)彎……這些能力對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)都非常自然、簡(jiǎn)單，以至于我們根本不會(huì)意識(shí)到完成這一過(guò)程有多復(fù)雜。相反，空間導(dǎo)航是智能體面臨的一重要挑戰(zhàn)，在這方面它們與動(dòng)物還相差甚遠(yuǎn)。

當(dāng)大腦思考自己所在的位置時(shí)，會(huì)動(dòng)用許多細(xì)胞。例如位置細(xì)胞（place cells），當(dāng)生物體到達(dá)一個(gè)特定位置后會(huì)激發(fā)這一細(xì)胞。再例如動(dòng)物頭部的朝向會(huì)激發(fā)“head-directioin cells”。

除此之外，空間導(dǎo)航中另一個(gè)重要神經(jīng)元就是網(wǎng)格細(xì)胞（grid cell，也稱“網(wǎng)格單元”），這類(lèi)神經(jīng)元處于大腦中負(fù)責(zé)空間學(xué)習(xí)、空間記憶和通用常識(shí)的區(qū)域。2005年，研究人員發(fā)現(xiàn)，與其他神經(jīng)元不同，網(wǎng)格神經(jīng)元的形狀是非常完美的六邊形，當(dāng)動(dòng)物在環(huán)境中來(lái)回走動(dòng)時(shí)，該神經(jīng)元被激發(fā)，跟蹤并記錄物體移動(dòng)的軌跡。六邊形組成的網(wǎng)格中的點(diǎn)，被認(rèn)為能夠支持空間導(dǎo)航，類(lèi)似于地圖上的經(jīng)緯線。另外，這些神經(jīng)元在不斷更新。當(dāng)動(dòng)物進(jìn)入了一個(gè)全新環(huán)境，會(huì)重新激活一個(gè)相同的網(wǎng)格，適應(yīng)新的環(huán)境。動(dòng)物除了有內(nèi)部的坐標(biāo)系外，最近研究人員假設(shè)，它們的神經(jīng)元（也稱為網(wǎng)格單元）也可以支持基于向量的導(dǎo)航。也就是說(shuō)，讓大腦計(jì)算到目的地的方向和距離，就像“烏鴉飛行”一樣，這可以讓動(dòng)物在陌生環(huán)境中找到自己合適的路線。

2014年，首次發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)胞的團(tuán)隊(duì)獲得了諾貝了生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，為了表彰他們對(duì)空間認(rèn)知表示的貢獻(xiàn)。但是雖然距離網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過(guò)去了十多年，網(wǎng)格細(xì)胞的計(jì)算功能，以及他們?nèi)绾沃С只谙蛄康膶?dǎo)航，仍然不甚明朗。

而現(xiàn)在，打敗世界最出色的圍棋選手的AI背后的大腦正變得不再神秘，DeepMind的發(fā)現(xiàn)能幫助我們想答案邁進(jìn)一步。

DeepMind的科研專家Andrea Banino說(shuō)：“我們所想、所記、所感的一切都以某種方式編碼在大腦中。為了理解這一點(diǎn)，我們必須學(xué)習(xí)如何研究神經(jīng)元，如何測(cè)量它們的活動(dòng)，以及將這些活動(dòng)與我們的行為聯(lián)系在一起。然而，這在真實(shí)的大腦上是很難實(shí)現(xiàn)的。”

而DeepMind做到了，不過(guò)不是在真的大腦上做實(shí)驗(yàn)，而是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和受大腦神經(jīng)元啟發(fā)構(gòu)建的算法，來(lái)解釋了這一問(wèn)題。在DeepMind最近發(fā)表在Nature的論文中，他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)智能體，用于測(cè)試網(wǎng)格細(xì)胞支持基于向量的導(dǎo)航的理論，“這與我們的重要理念相符合，即用于AI的算法與大腦中的元素十分相似，”研究人員表示。

第一步，DeepMind訓(xùn)練了一個(gè)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)（RNN），讓其利用與動(dòng)作相關(guān)的主要的速度信號(hào)，在一個(gè)虛擬環(huán)境中對(duì)自己定位。這種能力通常出現(xiàn)在哺乳動(dòng)物走到一個(gè)陌生環(huán)境中或不容易發(fā)現(xiàn)明顯地標(biāo)的情況下才會(huì)出現(xiàn)（例如在黑暗中導(dǎo)航）。

他們發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格狀的表示（下文稱“網(wǎng)格單元”表示）會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中自發(fā)生成，這與正在覓食的哺乳動(dòng)物中所觀察到的神經(jīng)活動(dòng)模式十分相似，并且符合網(wǎng)格細(xì)胞為空間提供有效代碼的觀點(diǎn)。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，智能體生成了網(wǎng)格狀的表示：網(wǎng)格單元，它與哺乳動(dòng)物覓食時(shí)的生物網(wǎng)格細(xì)胞非常像

接下來(lái)，研究人員測(cè)試了網(wǎng)格單元是否能夠通過(guò)創(chuàng)造智能體來(lái)支持基于向量的導(dǎo)航的理論。他們把該智能體看作虛擬的小鼠。通過(guò)將初始的“網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)”和更大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)結(jié)合，形成了一個(gè)可以用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練的智能體，而它的目標(biāo)是在虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它開(kāi)始尋找自己的位置時(shí)，網(wǎng)格狀的形狀在網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)始形成。某些節(jié)點(diǎn)比其他節(jié)點(diǎn)用的更頻繁，這與真實(shí)動(dòng)物在尋找方向是生成的網(wǎng)格單元形狀非常相似。

該智能體的表現(xiàn)超越了人類(lèi)，比職業(yè)游戲玩家還要出色，并且展示了動(dòng)物身上才有的靈活導(dǎo)航行為，能夠在必要時(shí)刻開(kāi)辟新的路徑，甚至“抄近道”。

通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，我們證明了網(wǎng)格狀的表示對(duì)基于向量的導(dǎo)航十分重要。例如，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)格單元消失，智能體導(dǎo)航的功能也就減弱了，同時(shí)關(guān)鍵指標(biāo)（到目標(biāo)的距離和方向）也變得不準(zhǔn)確了。

用網(wǎng)格單元進(jìn)行向量導(dǎo)航的演示。底部圓點(diǎn)代表三種不同尺寸的網(wǎng)格單元。當(dāng)智能體移動(dòng)時(shí)，網(wǎng)格單元就會(huì)被激活，代表這當(dāng)前的網(wǎng)格代碼，從而發(fā)生變化，反應(yīng)智能體進(jìn)入了不同的領(lǐng)域。網(wǎng)格單元用于計(jì)算到達(dá)目標(biāo)的最短距離

DeepMind的CEO，Demis Hassabis表示：“人類(lèi)大腦是唯一能證明我們是能夠創(chuàng)造強(qiáng)人工智能的證據(jù)，所以將神經(jīng)科學(xué)看成是算法新的靈感是完全可行的。但是我們認(rèn)為這種靈感應(yīng)該是雙向的，既能對(duì)人工智能有所啟發(fā)，也能對(duì)神經(jīng)科學(xué)界未解決的問(wèn)題提供幫助。這項(xiàng)工作就是很好的證明：通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)能在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航的智能體，我們證明了網(wǎng)格單元在哺乳動(dòng)物的導(dǎo)航中的重要性，并加深了對(duì)它的理解。”

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)研究對(duì)于了解大腦中的網(wǎng)格單元的基本計(jì)算目的是很重要的，同時(shí)也表明它們對(duì)智能體的幫助也是很大的。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為網(wǎng)格單元能提供一個(gè)歐幾里得空間框架的理論提供了支持，這一概念支持了基于向量的導(dǎo)航。

更廣泛地講，這項(xiàng)研究重新確認(rèn)了大腦所用的算法能為機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)提供參考。此前神經(jīng)科學(xué)對(duì)網(wǎng)格單元的研究讓智能體的可解釋性變得更加容易，這本身就是人工智能研究中的主要話題，當(dāng)他們?cè)囍胍斫馑膬?nèi)部表示，先前的研究可以給與參考。這項(xiàng)工作同樣展示了利用智能體在虛擬復(fù)雜環(huán)境中的行為驗(yàn)證大腦如何工作的潛力。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這樣類(lèi)似的方法還能用來(lái)檢測(cè)大腦的某一區(qū)域，例如負(fù)責(zé)捕捉聲音或控制肢體的地方。未來(lái)，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)也許能像科學(xué)家提供不一樣的試驗(yàn)方法，或者提出新的理論，甚至完成目前只能在小動(dòng)物身上做的實(shí)驗(yàn)。