心智理论（Theory of Mind, ToM）——即人类心智推测他人心理状态的能力——是人类认知的关键组成部分。为了理解他人的心理状态或观点，并在社会和职业环境中与他人进行成功互动，这种形式的社会认知是必不可少的。**推测人类心理状态的同样能力也是人工智能（AI）融入社会的前提，例如在医疗保健和汽车行业中。自动驾驶汽车需要能够推测人类司机和行人的心理状态以预测其行为。**在文献中，对心智理论的理解不断加深，特别是在对儿童和自闭症谱系障碍个体的认知科学研究中。同样，通过神经影像学研究，我们对心智理论的神经机制有了更好的理解。此外，新的用于推测人类心理状态的AI算法已经被提出，这些算法具有更复杂的应用和更好的普适性。在这篇综述中，我们综合了现有的认知和神经科学领域对心智理论的理解以及已经提出的AI计算模型。我们特别关注偏好学习这一领域以及最新的神经认知和计算心智理论模型。我们还讨论了现有模型的局限性，并暗示了潜在的方法，以使心智理论模型能够充分表达人的复杂心理，包括价值观和偏好。
人工智能（AI）在生活的许多不同方面的依赖程度越来越大。其中两个非常突出的领域包括自动驾驶汽车和身心健康护理。**对于这些AI应用来说，包含心智理论（Theory of Mind, ToM）这一组件是至关重要的（Cuzzolin等，2020）。**心智理论是指人类心智推测他人心理状态的能力，是人类认知的关键组成部分。为了理解他人的心理状态或观点，并在社会和职业环境中与他人进行成功互动，这种形式的社会认知可以说是必不可少的。感觉自己的思想和情感被他人理解，这对个人和社会的福祉也是有益的，从而促进积极的社会互动。
然而，这项任务极具挑战性，因为心智理论是一个整体性过程，可以分解为若干独立的“热”认知和“冷”认知过程。**冷认知过程是非情感过程，而热认知则涉及社会和情感认知（Roiser和Sahakian，2013）。**社会认知是人们在社会背景中处理、记忆和使用信息以解释和预测自己和他人行为的方式。热认知和冷认知在风险决策中发挥作用，这对于许多人机互动，包括自动驾驶汽车或外科手术机器人，可能变得非常重要（Lawrence等，2008）。
为了理解他人的心理状态，使用的认知策略可能存在个体差异。这些策略可能在儿童和青少年时期，特别是在1-5岁期间发展起来（Frith和Frith，2005；医学科学院，2019）。**在某种程度上，心智理论策略中最成功的热认知和冷认知过程是依赖于具体情境的。不同心智理论策略的例子包括理论-理论方法（Gopnik和Wellman，1992）和模拟-理论方法（Gordon，1986）。**前者可以基于一套先天规则或因果和概率推理模型，而后者则更多地基于视角的方法。**有趣的是，理论-理论方法可能类似于冷认知，其中使用智力过程来推测心理状态，而模拟-理论方法则更多是一种热技术，依赖于个人的动机和推理能力（Gordon，1996）。**这并不是说任何一种策略仅依赖于热或冷认知，因为两者之间存在重要的相互作用。此外，在理解心智理论时，评估遗传、激素和环境因素及其相互作用也很重要。此外，这些影响在健康个体和患有精神疾病的个体（如自闭症谱系障碍，ASD）中可能有所不同。
**随着AI在社会中的广泛使用，确保AI与人类的互动（无论是在汽车行业中的自动驾驶汽车，还是在医疗保健中的外科手术机器人或精神健康治疗和管理，如抑郁症和痴呆症）能够最优化是非常重要的。**这需要AI模型具备心智理论能力。因此，本综述旨在综合我们目前对人类心智理论和机器心智理论的理解，旨在激发讨论以更好地整合这两个领域。看起来，AI尚未提供一个真正整体性的心智理论方法，而是集中在单独的组件上，可能因为这些更容易建模。为了实现本综述的目标，我们简要介绍了一些选择的认知和神经影像学研究，这些研究有助于我们理解心智理论。此外，我们试图综合现有的神经认知和AI模型，并批判性地讨论认知和神经科学的潜在有用发现是否以及如何进入计算模型。最后，我们提出了未来研究的建议，以创建深受认知和神经科学研究知识和数据指导的计算和AI模型。目的是促进讨论如何在AI应用于医疗保健、自动驾驶和服务行业中，整体性地将心智理论整合到AI模型中，在这些领域，AI将与人类密切互动。
心智理论（ToM）是人类认知的关键组成部分。这个术语最早由Premack和Woodruff（1978）提出，他们试图确定黑猩猩是否具备心智理论。后续研究提出了社会脑假说，作者们认为，从进化的角度来看，具备良好的心智理论能力对于日益复杂的社会环境是有益的（Brothers，1990）。认知和神经影像学研究不仅考察了正常发育的儿童和健康成人的心智理论能力，还考察了许多神经发育和神经精神疾病中的心智理论能力。对存在心智理论缺陷的自闭症谱系障碍（ASD）个体的研究特别有助于我们理解人类的心智理论。鉴于我们通过认知科学和神经科学获得了关于人类心智理论的知识，这些知识可能对机器心智理论有利。然而，必须指出的是，并非所有人类心智理论的方面目前都能由于技术限制而转移到机器心智理论中。
我们回顾了与心智理论发展相关的文献，这些文献可以帮助AI研究人员理解心智理论技能和策略的学习阶段。**虽然通常认为儿童在5岁时已经发展了许多心智理论的方面，但研究表明，一些心智理论能力在生命的早期就已建立，而另一些则稍晚一些才发展。**Baron-Cohen（1995）描述了一个心智理论的发展模型。从大约6个月起，人类婴儿开始区分无生命物体和有生命物体的运动。在12个月时，联合注意力发展起来，婴儿具备了表征自己、代理（例如，母亲）和物体感知的认知能力。通过注视方向，婴儿在14-18个月时开始理解欲望、意图以及情感与目标之间的因果关系（Saxe等，2004）。Liszkowski等（2006）显示，12-18个月的孩子就能推测成人的行为并帮助他们。在这个实验中，婴儿看着成人用马克笔在纸上写字，马克笔掉到桌子下，成人没有看到。当成人开始随意寻找马克笔时，婴儿会指向或捡起马克笔，无视其他干扰物。在18-24个月之间，幼儿开始区分真实事件和假装事件，并经常在这个年龄段开始参与假装游戏。大约在3-4岁时，儿童开始理解自己与他人的信念和知识之间的差异，从而开始理解虚假信念，但这种能力直到5-6岁才完全稳定。对隐喻、讽刺和讽刺的理解直到6-7岁左右才建立起来。
这可能是由于遗传、激素和环境影响以及它们之间的相互作用所致。有趣的是，一项对1116名5岁同卵双胞胎和异卵双胞胎的遗传研究发现，心智理论能力更主要归因于环境而不是基因（Hughes等，2005）。然而，之前对3岁双胞胎进行的较小规模研究显示，基因对心智理论能力确实有一些影响（Hughes和Cutting，1999）。环境因素，如经常接触语言和关于心理状态的对话，与心智理论能力的更好发展相关（Dunn和Brophy，2005）。McAlister和Peterson（2006）发现，家中有兄弟姐妹的学龄前儿童比没有兄弟姐妹的独生子女具有更好的心智理论能力。同样，父母在与孩子交谈时经常提及心理状态的孩子较早发展出心智理论能力（Carpendale和Lewis，2004）。此外，心智理论的发展与语言的发展紧密相关（Frith和Frith，2003；de Villiers，2007；de Villiers等，2014；Kim，2020），在某种程度上也与执行功能的发展相关（Arslan等，2017a；Kim，2020）。尽管如此，自闭症谱系障碍（ASD）具有很强的遗传联系（Huguet等，2016），并有证据表明胎儿激素睾酮与自闭症特征之间存在关联（Auyeung等，2009）。这可能表明，典型发育儿童和非典型发育儿童的心智理论能力受到不同的影响。**对心智理论能力的认知研究强调，通过环境进行学习是发展心智理论能力的重要组成部分；这一点在当前的AI模型中被很大程度上忽视了。**人类心智理论的发展突显了所有心智理论能力并不是同时发展的：因此，持续学习的重要性是发展机器心智理论的关键方面。同样，人类的心智理论能力在社会环境中发展，并通过语言的发展来实现；因此，应该考虑人工和孤立学习环境对AI的影响。
高阶心智理论能力也存在，并且在发展轨迹中较晚建立。二阶心智理论涉及预测一个人对另一个人的想法或感受的看法（Westby和Robinson，2014）。**文献表明，即使是人类在高阶心智理论能力上也有困难（Kinderman等，1998；Hedden和Zhang，2002；Flobbe等，2008；Meijering等，2010，2014）。**随着AI在社会中的广泛使用，这对机器心智理论有潜在的影响。然而，在本综述中，我们重点关注一阶心智理论能力。
在某些情况下，心智理论会受到干扰，例如在自闭症谱系障碍（ASD）中。了解人类在心智理论能力表现不佳的案例可能有助于指导AI开发具有良好心智理论能力的模型。自闭症谱系障碍的个体通常会主动避免眼神接触，表现出刻板或重复的行为，并且难以建立情感关系。有大量关于ASD中受损心智理论能力的研究，这些不在本综述的范围内，但需要注意的是，ASD个体在心智理论任务上有困难。在高功能自闭症中，这通常与智力（IQ）和其他认知能力无关，这些能力仍然完好（Baron-Cohen，1995）。Senju等（2010）显示，6-8岁的ASD儿童无法根据演员的虚假信念预测其行为。他们使用了一个虚假信念任务，其中一个演员将一个玩具放在一个盒子里，当演员不看时，玩具被移走。孩子们被要求预测演员会在哪里寻找玩具，ASD儿童无法正确预测，而典型发育的儿童在25个月时就能在相同任务中正确预测演员的行为（Southgate等，2007）。注意力缺陷多动障碍（ADHD）儿童通常注意力和执行功能受损，但心智理论能力仍然完好（Kain和Perner，2003），这表明心智理论独立于其他认知功能。执行功能是高级认知过程，如计划和问题解决，通常由额叶网络支持。对ASD个体的研究表明，他们甚至可能难以理解自己的意图，这与理解他人意图之间的关系需要进一步阐明。这进一步证明了在计算心智理论中理解自我的重要性。实际上，在内部模拟过程中，“观点采择”（“如果我是他/她，我会做/想/感觉什么？”）在人的心智理论中起着重要作用（Barnes-Holmes等，2004）。
虽然ASD是心智理论能力受损的经典例子，但有证据表明，心智理论在精神分裂症（Brüne，2005）、双相情感障碍（Kerr等，2003）、中风后的额叶损伤（Happé等，1999）以及老龄化过程中（Phillips等，2002）也存在受损的情况。