图学习：探索网络结构如何影响人类认知的新兴领域-集智俱乐部的财新博客-财新网

导语

人类的大脑具有很多高级的功能，它能够接受信息，存储信息并交换信息，那么人类究竟是如何进行学习的呢？

2019年9月16日发表于arxiv.org的一篇预印本论文中，作者通过引入一个不断发展的跨学科领域——图学习来探索了网络结构是如何影响人类的认知的。

引言

人类的大脑具有很多高级的功能，其中之一就是根据过去的经验学习事物的规则，从而使我们能够理解语言，能够进行抽象推理，以及对视觉模式进行分类。甚至是只有8个月大的孩子也能发现口语中的统计规律，从而确定单词之间的界限。这些事件都可以看成复杂的网络结构，而人脑的这种能力使得我们快速而准确地学习这些网络结构。

论文题目：

Graph learning: How humans infer and represent networks

论文地址：

https://arxiv.org/abs/1909.07186

人类是如何学习的

为了认知人类是如何学习的，让我们从一个简单的实验开始。构建一串由四个伪单词组成的连续序列，序列中每个伪单词都由3个音节组成，如图1A所示。每个伪单词的音节顺序是固定的，而序列中每个伪单词是随机出现的，也就是说词内音节的转移概率为1，词间转移概率为1/3。

研究者让婴儿收听该序列，一段时间后，受试验的婴儿能够检测到音节过渡概率的差异，该试验揭示了在语言学习过程中的一种单词识别机制。这种发现转移概率变化的能力是人类学习的核心和普遍特征。

虽然转移概率包含了刺激序列中重要的信息，但是它们并不能代表全部信息。由于转移概率的存在，各个音节之间会形成一个复杂的网络结构，为了描述这种结构，研究者将图1A 的序列转化为图1B所示的网络结构，其中每个音节为一个节点，节点之间的边表示他们之间可能的转移关系，此时图1A中的序列就可以表示为图1B中网络的随机游走。

从图1B中看出，这些音节自然的形成了四个簇，每个簇对应一个伪单词。该现象提出了一个重要的问题：当解析单词（或执行任何其他统计学习任务）时，人们是学到了网络中单个过渡概率的差异，还是学到了网络更大尺度的特征？

网络结构对人类学习的影响

网络具有许多局部结构、中尺度结构和全局结构，如图2所示，这些结构往往与网络的节点和边有关，具体如下：

局部结构：节点的度

中尺度结构：聚类系数，模块度

全局结构：核数、中心性，传播性

为了研究网络结构对人类学习的影响，研究者设计了一系列的反映时间实验，如图3所示，在实验过程中，试验对象接受一串刺激序列，要求根据刺激在键盘上按相应的键。反映时间越短，说明对转移的预料越强烈，反之越弱。通过使用不同的网络结构，我们就可以研究局部结构、中尺度结构和全局结构对人类学习的影响。

局部结构对人类学习的影响

为了研究局部结构对人类学习的影响，研究者使用一个随机网络进行反应时间实验，如图4所示，网络中每个节点代表一个刺激，该网络的随机游走构成一个刺激序列。反应时间随转移过程中前一个节点度的变化如图4所示：前一个节点的度越大，反应时间越长。由于随机游走的转移概率可以由前一个节点的度倒数表示，因此实验结果表明了转移概率越大，反应时间越短。该结果表明人类对网络的局部结构很敏感。

中尺度和全局尺度结构对人类学习的影响

一系列的研究表明，网络的中尺度和大尺度结构对人类学习有影响。对于中尺度的结构，有研究表明，低聚类的单词在长期记忆中更容易识别；而对于大尺度的结构，在反应时间测试的实验中，人们对于具有低中介中心性的节点反应更快；更有研究表明，小孩子更容易捕获和说出低核数的单词。

但是为了建立网络结构与人类学习之间的因果关系，我们还必须证明上述的现象不受网络局部结构的影响，于是研究者采用控制变量法，设计了一组新的反应时间实验。实验过程中，采用了度相同但是拓扑结构不同的网络，将他们作为刺激序列的转移网络，如图5所示，两个网络分别为模块网络和格子网络，所有节点的度都是4，因此两个网络的局部结构相同。

在模块网络中，分别测量人们对于簇内和簇间转移的反应时间，通过计算簇间反应时间与簇内反应时间的差值，得到了图6（上半部分）的结果，即簇间反应时间比簇内反应时间长，这表明人们对簇内转移的反应更快，网络的中尺度结构对人类学习有明显的影响。此外，通过测量在格子网络和模块网络上人们的反应时间，两者的差值如图6（下半部分）所示，即格子网络的平均反应时间更长，这表明网络的全局结构对人类学习有明显的影响。

上述实验表明，人类不仅能够学习个体的转移概率，还能够发掘潜在网络的结构特征，这些特征不仅包括局部特征，还包括网络的中尺度和全局尺度的特征。但是人类是如何学习这种高阶的网络特征的呢？对人类的图学习进行建模给出了答案。

人类进行图学习的机制

首先考虑一个简单的模型，假设刺激序列的转移概率由转移矩阵Pij决定，我们可以计算刺激元 i 转移到 j 的频率，从而用频率来估计 i 到 j 的转移概率。事实上，该估计是对 Pij 的最大似然估计。然而，我们进行估计时，并没有考虑网络的拓扑结构，然而前文的实验表明网络的拓扑结构对人类学习是有影响的，因此直接使用频率的估计是无法反映人类进行图学习的机制的。

考虑网络结构的影响，研究者们提出了这样的一个机制：当接受一系列的刺激时，人类会在时间上对网络的转移结构进行积分。简单来讲，人类对刺激的反应不仅仅只与当前刺激有关，还与之前的一个、两个或更多刺激有关。该机制可以由下式表示，其中，t 代表时间点，f(t)表示在不同时间点上的积分权重，C是归一化常数，P是网络的真实转移概率矩阵，P 表示估计的转移概率矩阵。

为了进一步阐述这种学习机制，研究者进行了如图7所示的实验。当f(t)是一个冲激函数时(图7A左)，学习者仅仅关注当前刺激，此时学习者简单地采用了最大似然估计，最终估计的转移结构 P 收敛至真实的转移结构 P（图7B左）。当f(t)是一个均匀分布的函数时（图7A右），学习者会对所有时间步进行积分，此时估计的转移结构 P 与真实结构偏离甚远（图7B右）。

然而，当f(t)随时间步长进行衰减时（图7A中），学习者会对转移结构进行中等时长的积分，最终估计的转移结构 P 会体现一些全局的特征（图7B中），例如紧密相连的节点所构成的社区越来越明显，而一些局部结构，例如社区和社区的边联系会退化。这种时间整合机制已被证明在生物学上是可行的，并且普遍存在于目前的认知理论中。

拓展图学习的范式

大多数图学习研究的问题，例如前文提到的反应测试研究，都可以看作是在转移网络上的随机游走。用随机过程的语言来讲，这是一个平稳的马尔科夫过程。尽管基于随机游走的图学习研究提供了一个自然研究视角，但是仍会受到3个假设的限制：（1）转移结构不随时间发生变化（平稳性）；（2）未来的刺激仅仅取决于当前刺激（马尔科夫性）；（3）刺激序列是预先决定的，不会受观察者的影响。通过研究这些限制问题，未来的研究将会拓展现存图学习的范式。

（1）平稳性

大多数的图学习研究都是针对静态的网络结构，但实际生活中大多数网络是随时间变化的。例如图8所示的过程，网络中的边会随着时间的推移而被重连。有研究表明，当观察一系列从一种过渡结构转变为另一种结构的刺激时，人们对第一个网络的学习表示会影响他们对第二个网络的反应，但是随着时间的流逝，这些影响会逐渐减弱。未来的图学习研究可以更多地关注时变网络结构的特性。

（2）马尔科夫性

在当前的图学习研究中，我们总是关注具有马尔可夫性的刺激序列，即未来的刺激仅仅取决于当前刺激。然而，实际中的刺激序列大多具有长时间相关性和依赖性。这种长期依赖关系可以用图9表示，由于长期依赖的存在，路径1（图9左）的下个状态有两种可能，而路径2（图9右）却有3种可能。例如，口语中每个单词不仅只和前一个词有关，而且还和句中更早的词有关，音乐的乐符之间也有复杂的长期依赖关系。那么前文提及的时间整合机制能否推断这种非马尔科夫过程呢？这些问题有待未来的图学习研究解决。

（3）信息搜寻

刺激序列往往设计成与观察者无关，但是刺激序列的结构也可以由观察者决定。例如，人们上网搜索信息时，人们会主动选择一条穿行在链路网络上的路径，在这种情况下，人们对信息的获取具有主观能动性，而不是被动的接受预先定制的信息。如图10所示，通过主动地搜寻信息，人们最终从原始网络中获取了一个新的子网络。这种主动的信息搜寻带来了许多有意思的问题：主动搜寻的路径能够让人们更有效地学习网络的拓扑结构吗？还是说这种主动搜寻的能力导致人们对真实网络的结构形成了偏见？这些问题岑需解决。

研究真实网络的结构

人类认知与网络之间存在着密切的联系，人们会依靠网络系统来执行各种各样的任务，例如使用语言进行交流（图11A），发明音乐（图11B）以及在网络上存储和检索信息（图11C），其中许多网络都会随着人类的发展而演化，或者由人类直接设计。我们不得作出怀疑：某些网络是为了支持人类的学习和认知而构建的。

图学习提供了定量模型和实验工具来研究这些问题。我们发现，许多现实世界的过渡网络具有两个明显的结构特征：（1）异构的：具有度异常高的hub节点，以及具有幂律的度分布（图12D）；（2）模块化的，即存在紧密连接的簇群，而簇间的连接较为稀疏（图12E）。那么这些结构特性是否有着共同的目的，即促进人类学习和交流呢？

研究表明，模块化结构提高了人们的反应能力，而异构网络中的hub节点能够帮助人们搜寻信息。这些结果表明，图学习提供了一个独特而建设性的视角，通过它可以研究我们周围世界的过渡网络。

总结

人类的行为、认知和神经活动严重依赖于过渡网络的拓扑结构，通过图学习这一统一框架，我们能够科学地探索网络结构对人类认知的影响。图学习是一个新兴的研究领域，提供了丰富的跨学科研究机会。从新的认知建模技术，和对现有图学习范式的扩展，再到现实网络中的运用，图学习将会改变我们对人类认知，复杂网络，以及它们之间交互的思考。

作者：鄢鹏高

编辑：张爽

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