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大脑无时无刻不在「预测」世界

大脑无时无刻不在「预测」世界

根据这篇文章,和 @刘看山 一起做了个动画视频「脑补」是如何产生的?| 好奇的北极狐。我很喜欢。


本文为《科学画报》特别约稿,刊登于2016年10月刊(发行日期10月6日)。

2014年夏天我在英国广播公司的研发部做过有关推荐系统的研究。推荐系统在日常生活中常见的应用就是淘宝上的“猜你喜欢”,在成千上万的持续更新的商品中,通过学习你过去的购物记录或者浏览习惯,系统可以预测你可能喜欢的商品。

在这个过程中,一个很棘手的问题就是不确定性。每个人的购物习惯及其背后的原因都在不断变化,因此每一次购物记录并非都会帮助系统找到正确的推荐,甚至每个时段、每个地区,购物记录中都充满了不确定性。推荐系统在猜你喜欢什么之前,先要猜透这个充满不确定性的世界。

大脑其实也面临同样的问题。每时每刻,大脑都被裹挟着各种感官数据的信息洪流——这可比购物记录的不确定性缭乱多了——所包围,并且需要及时地做出合理反应。那么,大脑是怎么做到的呢?

会思考的肉

“这个星球上的居民……是由肉做成的。”
“肉?”
“是的,肉。”
“什么?你搞错了吧?怎么可能是肉?”
“绝对不会有错。我们已经从星球的不同区域采样。他们全是肉。是的,会思考的肉!有意识的肉!甚至拥有感情!会做梦!全是肉,只是肉。你能想象吗?”
——译自特里·比森的科幻短篇小说《他们是肉块做的》

在《他们是肉块做的》这篇科幻小说里,来地球做调查的外星人,发现人类的身体全是由肉组成的,连负责思考的大脑也只是一坨白花花的肉而已。而我们的这些肉却有意识,让这些外星人吓了一大跳。

想想也觉得不可思议,仅仅1400克的肉,就能在头颅之内创造一个小世界。这个小世界一方面再现了从外部世界所感受到的大量信息——光、声音、触感、气味、对自己的肢体的感知等等;另一方面又有自己对这些信息的判断、理解和反应:这幅画真美,刚才听到的那句话是什么意思,空气里怎么突然弥漫着一股血腥味……

“神秘之处在于,作为物质的大脑是如何产生思维、想象、梦境,以及所有大杂烩般的心理活动、情感和智能行为的。”安迪·克拉克在他的新书《Surfing Uncertainty》中如此写到:“但我们已经有了一条线索 。”

这条线索,尽管仍无法解释意识是如何从物质的大脑中浮现出来的,但或许已为我们揭开了冰山一角。

这条线索就是,预测。

大脑是如何处理信息的

以一段含有大量杂音的语音为例,来看看大脑是怎样处理信息的吧。

当听到一些音节“语……助理……不可……识别……这……话”,大脑在收集到这些零星出现的音节——相当于基础信息——之后,会根据过去已有的语言知识和习惯,来做合理的预测,或者说是有根据的猜测,再将预测和接收到的真实信息做比较,看两者是否吻合,最后理解了这句话其实是“语音助理不可能识别出这句话”。

这个理论叫做“层级式预测编码”,或“预测处理”。

在这个过程中,大脑根据已有的预测模型,不断地对即将到来的新信息做出预测。如果实际接收到的信息不符合预测,大脑就会更新这一预测模型。譬如说,当听到一段平缓的脚步声“哒……哒……哒……哒……哒”,大脑根据相邻“哒”声的时间间隔预测出,下一个“哒”声应该在近一秒后响起,但真实的“哒”声却提前了半秒,这就不符合预测,大脑会立马反应过来“环境有变化”,如果连续几个脚步声相隔都不到半秒,大脑就会明白“这个行人的运动速度改变了”。

传统观点认为,大脑不断地接收新的感知信息,并在越来越复杂的信息中寻找规律,然后构建起大脑对环境的认知,这是一种以“由下对上”的控制为主的感知结构。而预测编码理论恰恰与此相反,是以“由上对下”的控制为主的:我们的大脑用已有的模型制造出丰富的感官数据,形成一个预测性的内在世界,去匹配即将发生的真实世界。这些感官数据创造了各种可能的假设,其中可能性最大的,就成为直觉——对此,克拉克恰如其分地总结说:“感知是被控制的幻觉。”

大脑形成的内在世界与外部的真实世界独立且割裂,这使得预测有时会出现偏差。譬如,在精神分裂症患者中常常会观察到过多的预测偏差,这也是产生幻觉的因素之一,而这又恰好说明了“幻觉是脱缰的感知”。

我们在通过接收外界信息来学习的同时,大脑也在无时无刻地生成自己对外界的模型,在充满不确定性的信息洪流中摸索。

那大脑是个预测机器吗

大脑的预测过程,其原点在于已有的预测模型。

尽管并没有人向大脑灌输任何教科书,但大脑确实逐渐形成并日益完善着这一模型。这种能力或许产生于以进化为时间尺度的漫长岁月,也可能仅仅贯穿了一个有机体的生命史。这一模型成为日后处理信息的基准,并不断地自我更新。

看上去似乎有些像人工智能的学习过程?

这样说来,大脑算不算是一个集合了各种最优算法的机器呢?

神经科学领域有越来越多关于感知方面的研究表明,大脑一直都在学习它接收到的信息。早在1996年,扎弗兰等人就发现,向仅8个月大的新生儿播放毫无意义的音节序列,如“GOLABUPABIKUGOLABULAGUGO……”,两分钟后,新生儿就能发现序列中“GOLABU”组合出现的频率更高,这被认为是大脑在统计感官信息中的规律。随后又有大量的实验发现,人在不知情、注意力分散,甚至是在睡眠等意识淡薄的状态下,大脑也在自动地分析这类感官信息,并学习其中的一些模式。这样一个似乎无时无刻都在接收和分析信息的大脑,看上去难道和机器不像吗?

安迪·克拉克在《Surfing
Uncertainty》这本书中,从日常生活到神经科学的不同角度解释了大脑是如何运用预测编码理论来工作的,他认为神经系统在充满不确定性的环境中运作的能力可以由贝叶斯统计来描述。

如果这真的是大脑工作的原理,那大脑是一个预测机器吗?

事实上,人脑和机器之间一直是“剪不断理还乱”的关系,图灵就把人脑看作“智能的标准”。所谓机器和生命之间的界限,只是因为人类的眼界太窄。

预测编码理论的拥趸者,或许会在论文中以“实验结果表明,大脑在处理XXX信号上与贝叶斯优化推理相似”等诸如此类的描述作结论,这样的结论很容易让外行人断章取义为“大脑就是一个机器”。但由于这个理论的抽象性,又很容易让具有不同背景的人对它有不同的解读。另外,业内也有人担忧,认为这个理论的包容性太大了,当“任何现象似乎都能很好地融入这个故事”的时候,一方面可能是这个理论真的完美无缺,另一方面可能意味着这个理论存在隐患。

无论如何,目前看来,预测编码理论已经影响和启发了许多神经科学研究人员。但它可能也展现了一件细思恐极的事实——我们的感知并非像曾被相信的那样清晰独立:它影响着我们对这个世界的了解和思考,同时它也会被我们已有的知识和思想所左右。


题外话

Predictive coding 恰好是我的研究方向(之一)。我个人对它的态度是比较中立的,我也不太喜欢现在业内那股「@一下Friston说不定就能上头条」的莫名其妙风气,最近看了好几篇论文都是「明明和predictive coding没有关系,还非要胡扯」,有种「即使不熟,我也要和你合照发朋友圈」的既视感。

对于大众,要是简化来讲,也是一个很容易解释的理论,算是近十年「认知神经科学家收割器」吧?但要是过于简化也很容易引起误解。但却是如果你get到了,就会觉得「大脑太酷了」。


其实在新书《大脑使用指南》中,我本来是想专门用一章来将这个,来「升华」一下这本书的调调,但在交书稿时,还是觉得有点眼高手低了,所以并没有收录。

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编辑于 2018-10-30

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