包含飞生物医学知识整合论

包含飞：生物医学知识整合论(Ⅴ)，《医学信息》杂志，17（5）：244-250，2004生物医学知识整合论（Ⅴ）——再论知识背景空间包含飞上海中医药大学中医学信息化-标准化研究室，200032摘要本文沿生物医学知识整合论研究方向进一步探讨生物医学知识复杂的背景空间。文章介绍了笔者对医学信息学及医学知识领域中物理性知识、人类智能和人工智能世界三维关系的认识；为了使该理论逐步清晰化，文中又讨论了一系列概念定义；接着分别以欧几里得几何、VB编程语言和胆汁淤滞为例描述了人类智能、人工智能和物理性知识三种知识背景空间的特点；最后探讨了先哲们建立理性学科背景空间的技巧及对我们的启示。关键词生物医学知识整合论医学信息学知识背景空间认知科学医学人工智能在某种意义上，生命是一切自然机理的总和，生命科学是一切科学的总和。生命系统的奥妙之处不仅仅在于“一切”二字，更在于“总和”二字，在于生物界的完美无缺的、和谐共济的“总和”！这是自然界的物理整合。关于科学知识的“总和”机制的研究就是知识整合科学。在生物医学知识的整合研究[１-７]中，生物医学信息学将起到无可取代的作用。1．医学信息学，知识整合和三维知识世界医学信息学拥有一个庞大的学者团体，其国内和国际学术会议的规模一般相当大。在有关的各种书刊杂志上发表的及各种会议上交流的，大都是关于医疗卫生领域中的应用系统。但有些学者指出，医学信息学并不等于建立和维护形形色色的与医疗卫生有关的应用系统[８]。那么医学信息学究竟是什么？它仅仅是把现成的信息技术引进到医学领域中的努力？它的内容仅仅是开发、引进和维护一些信息系统？它有没有自身的概念系统，基本理论和体系结构？笔者认为对前两个问题，答案是明确否定的，但对第3个深层次问题就不那么容易回答。首先，生物医学信息学涉及三大学问信息学、生物学和医学。信息一词外延极为广泛，常与物质、能量等被并列为构成世界的基本要素或维度，所以几乎是一个无处不在的带有哲学意义的“千面概念”。笔者认为信息这个概念很多方面类似于另一个无处不在的概念：“结构”[４，６]。我们并没有根据物质和能量概念提出“物质学”或“能量学”，但我们却根据信息概念提出了“信息学”。这也许是因为香农曾对关于通信的信息概念给出了定量公式和人类发明了诸如计算机和网络这些被称为信息技术的新事物并且对人类生活产生了空前的影响之故。我们还在生物学和医学领域中分别提出了生物信息学和医学信息学，并且把财务管理、设备药物管理、医院局域网建设、电子病历、PACS、疾病诊断-治疗-护理、药理和药物动力学、DNA的表达及调控和蛋白质功能-空间构型-蛋白质网络等的有关算法-查索-计算机处理、…..统统地归到“生物医学信息学”这面大旗下。生物学和医学也是两个超繁领域，几乎囊括和整合了诸如机械、电、化学、大分子、随机、非线性…..所有的方面，真可谓集“万千机制于一体”。因此三个超繁领域结合的“产儿”生物医学信息学的极端复杂性和内在千差万别的异质性就在所难免。再加上参与到生物医学信息学领域中来的学者群体的知识背景、追求目标、思维方式又彼此相差甚远。对一些学者来说“理所当然”的事，对另一些学者也许会“莫名其妙”。所以，我们不得不认承认目前生物医学信息学丰富的异质性，截止今日，它更象一个学科群体，尚未成为真正统一的科学。划时代级的科学大师牛顿和爱因斯坦在追求统一结构和理论时都选择了万古不变的天体系统，没有选择生命系统。另一个大科学家量子力学的奠基人薛定谔研究过生命系统，留下了一句脍炙人口的名言：“生命是负熵”。讲得通俗一点就是“生命的结构可以越来越复杂”。他认为原因是在于生命系统是“开放系统”，任何复杂的生命系统都可“统一”到负熵。这一伟大的论断在哲学界和物理学界意义远大于生物学和医学界，因为即使一个老婆婆也拥有生物学常识知道她的小鸡崽与她的针线盒不同，“会长大下蛋”。由此可以想象探索医学信息学的内在统一的结构和理论决非轻而易举的事。相反，它是一件令人望而生畏的苦差事。MAMusen指出，“Blois的工作的原理性贡献在于确认了认识论（epistemology）是令人信服地说明医学信息学是一门学科研究的核心元素。［８］”这一点与笔者十多年来的努力方向可谓不期而遇。知识从其本质上来讲是客观物理世界和人类意识世界的对话，是物理世界的规则和意识世界的规则的交流。Weed把病历数据分为主观类（病人主诉），客观类（临床发现，实验室结果），评估类（结论，诊断），计划类（治疗措施）[１４]。其实他的主观类，评估类，计划类均属主观意识类，客观类属客观物理类，所以生物医学知识系统反映了这种对话。讨论生物医学知识整合问题不可能离开物理世界，意识世界及人工智能世界的规律及其相互关系。根据唯物主义哲学观，人类大脑的知识和思维运动可看成是客观物理世界的抽象或模型，而人工智能可看成人类智能的一部分或“代理”并可作为人工智能或知识整合的具体手段，因此也可看成客观现实世界的一种抽象或模型（见图1，2）。因为人工智能的承载体与大脑神经系统不同，具有帮助人类智能大容量积累和大规模联合的潜能。而且正因为人工智能的承载体不同，它们一经成立，便获得了自身的个性并按自身的规则运动，成为一种独立于人类智能的自在体。就象一辆汽车固然是人类智慧的产物，但一个人必须掌握汽车的“个性（性能）”，才能获得“驾驶执照”。生物医学知识整合论（TheTheoryofBio-MedicalKnowledgeIntegration,BMKI）［１－７］的宗旨是探讨整合生物医学知识的信息学方法，使较局部和较零碎的生物医学知识能更整体化地反映生物机体和医学过程。诗曰“会当凌绝顶，一览众山小。”目标不高难以“盖全”，笔者有意借此“高难”生物医学知识整合研究为目标，对生物医学知识“超复杂”世界的哲学-信息学细节作一番神游和苦旅，并且希望有所收获。MAMusen说过意味深长的一句话，“如果我们相信医学信息学的研究对世界的某些方面贡献了自己独特的有内在价值的基本理解,那么阐明医学信息学的理论基础并使之区别于计算机科学和其他科学如信息理论，生物统计学和保健研究等，是我们的当务之急。然而，不幸的是我们学科中没有致力于提出基础理论的哲学家。［８］”看来有责任性的学者之所虑，有很多共通之处。笔者生性偏爱学术的完美性，眼中的医学信息学犹如一位婷婷待妆的“美丽公主”，具有自身的美学潜质，不是人们心目中的生物学和医学的“美丽女仆”。更希望BMKI成为医学信息学的一个新学科，新成员。笔者将尽其所能为MBKI建立一套相对严密的基础概念和学术结构，期望开创一片蓝天碧地，湖影垂柳的学术境地。客观物理世界人类智能世界人工智能世界abstractormodelofpartofabstractormodelof图2客观物理、人类智能、人工智能世界三者的关系。从人工智能这个全透明体，我们可以观察和探索客观现实世界的部分原理。图1人类智能，人工智能和物理世界为各自具有自身运动规律的三种不同的领域，医学知识系统处于它们之间的对话或重叠区域，是三类运动规律的综合表现。人类智能人工智能物理世界物理世界与智能世界对话区2.“可爱的孩子”与“温暖的摇篮”人类的天性喜爱活泼可爱的孩子，但娇嫩的孩子离不开它温暖的摇篮。“温暖的摇篮”是“可爱的孩子”的背景空间。在我国住房紧张时期，有人感叹说“找一个姑娘容易，找一套住房难”。说明在一定的情况下，“背景”可以比一切都重要。所谓知识背景空间即为某条知识的准确意义成立所依赖的条件、环境或前提的集合。就象人们容易记住孩子而忽略摇篮一样，知识的背景也最容易为人们所遗忘。这是因为生存原则作为生物系统的第一原则离不开另一个基本原则即经济原则或效率原则，而思维作为高等生物的功能之一也遵循这一原则，往往把思维活动的背景性或非直接事物放置在大脑的相对非活跃的区域即下意识或潜意识区域（就象电脑把不直接参与操作的资源放在成本相对较低的外存中一样），而把直接参与思维活动的诸要素放在明意识区域（相当于电脑的直接操作空间即成本相对较高的内存）。把各级相对间接的资源放置在大脑各级下意识或潜意识区域以达到“最佳效率”堪称大自然“神来之笔”的杰作，但给人工智能研究者带来了诸多迷惑。因为人工智能要求知识成立的条件或背景“一个不能少”。有人总结所以在医学信息学中人工智能发展“不尽人意”的原因之一就是因为人们“本以为”医生能把他们的思维过程讲清楚[13]，但事实证明事情远非如此。那么思维过程究竟那些部分“难以讲清楚”，笔者认为就是相应的“知识背景”部分。计算机科学史上所犯的关于“第五代”智能计算机神话的全球性估计错误也源出于此。我们知道，人们发现和寻找知识目的有二，一为满足求知欲望，二为达到某种意识的或物理的功利目标。难以想象有朝一日我们会穷尽世界的一切奥秘，人类面前不再存在任何无知领域，因此求知欲望是无穷的。但如果获得知识是为了达到某种功利目标，我们就可以此目标为中心，把直接参与的知识作为“当事者”知识，而把间接影响的知识作为“背景性”知识。在这种情况下，知识的背景空间带有“功利性”。这并不会冒犯理论的“纯洁性”，我们将在下文看到即使众所周知的被认为是“绝对精确”、“绝对理性”的欧几里得几何其背景也带有“拿来主义”或“经验主义”的意味，带有某种功利性。我们把背景性知识的全体称为“知识背景空间”。一般来说，（ⅰ）人类思维的“知识背景空间”往往位于潜意识或下意识区域，包括常识，共识和本能性知识。其基础部分多来自先天本能，上层部分多来自后天；（ⅱ）对电脑“思维”或人工智能来说，无背景的知识是“不完整的知识”。一个基于规则的系统如果只包含人类的明意识规则，缺乏背景知识空间的支撑，那么系统就不够健壮。它们往往只能在高度限定的空间中才有效。因此在人工智能和任何知识工程中，应重视、分析和挖掘相关的潜在的知识背景空间。3．概念与定义有鉴于生物医学知识领域的高度的结构性和复杂性，过于抽象地泛泛而谈“熵与信息互为倒数”恐怕无济于事。笔者认为首要任务是先把我们所讨论的对象尽可能限定或确定，在本系列文章之四[4]的基础上，这里再给出一组定义。定义1知识单元的基本组分一般说来，一个知识单元由四类基本组分，直接因子、间接因子、直接规则和间接规则。因子又称操作子或元素，规则又称关系。定义2认知动机(cognitivemotive)激发人类获得知识努力的动力，包括本能的求知欲望（instinctiveorinherentlongingforacquiringknowledge，ILAK）或对世界的好奇性和对具体的物理性或意识性功利（particularphysicalormental“profits”，PPPorPMP）的追求。定义3认知目标(cognitivegoal)某种认知动机下获取知识的努力所希望达到的目的集合。定义4ILAK的认知目标（cognitivegoaldrivenbyILAK）在人类求知本能和探索欲望驱使下的无穷目标。在这一目标下，下文所述所谓知识的规则粒度、因子粒度、理解粒度、操作粒度和知识背景空间粒度等都是无穷尽概念。但在某一历史阶段，人们常常把这个无限目标限定为一个该历史时期的具体的有限目标。定义5PPP或PMP的认知目标（cognitivegoaldrivenbyPPPorPMP）为PPPorPMP驱动下获取知识的努力希望达到的具体的物理的或意识的目的（事物和关系）的集合。意识性功利目标如建立一种理论，构思一首诗，物理性功利目标如诊断疾病、治疗疾病、种植一亩水稻、喂养一头奶牛等。此目标决定相关的知识规则粒度、因子粒度、理解粒度、操作粒度和知识背景空间粒度等。定义6认知量子（cognitivequantum，CQ）指在某种认知目标下，无法或无须再细分或深究的量子因子（或操作子）和量子规则（或关系）。定义7ILAK认知量子（CQbyILAK）当代科学技术测出或发现的独立存在的稳定的最小粒子或基础力。也称为时代量子粒度。定义8PPPorPMP认知量子（CQbyPPPorPMP）为PPPorPMP目标下的最小认知因子或规则。如外婆的老母鸡和鸡蛋，欧几里