聰明的代價：為什么大腦演化出易崩潰的機制？

不久前，神經(jīng)現(xiàn)實在“倫敦大腦和智能峰會”上邀請了多位國內(nèi)外頂尖學者，與線上線下的讀者一起深入討論了一系列關(guān)于意識的話題，涵蓋意識與人工智能、意識的主觀性與建構(gòu)性、信息整合視角下的意識、意識的實證和臨床研究、以及致幻劑等在意識研究中的作用。為此，我們整理了整場活動的視頻回放及雙語文字稿，并將于近日在“神經(jīng)現(xiàn)實意識社區(qū)”中陸續(xù)放出相關(guān)內(nèi)容，敬請期待！

以下為劍橋大學圣約翰學院研究員Andrea Luppi博士演講內(nèi)容預(yù)覽，歡迎閱讀和收藏。

Andrea Luppi

牛津大學 Wellcome 青年學者，劍橋大學圣約翰學院研究員

安德烈亞·盧皮博士由哲學家轉(zhuǎn)向神經(jīng)科學研究，先后在牛津大學與哈佛大學接受哲學與認知科學訓(xùn)練，隨后作為蓋茨學者在劍橋大學獲得神經(jīng)科學博士學位，并在蒙特利爾神經(jīng)研究所完成博士后訓(xùn)練，期間獲莫爾森神經(jīng)工程獎學金及班廷獎學金資助。他的研究關(guān)注大腦結(jié)構(gòu)與多尺度動態(tài)之間的復(fù)雜交互如何催生大腦功能與意識。為此，他結(jié)合信息論、網(wǎng)絡(luò)科學與全腦計算建模等方法，跨物種、跨技術(shù)手段研究藥理性與病理性擾動對大腦功能與意識的影響——包括意識障礙、麻醉及致幻劑等情境。他的長期目標是理解：是什么使大腦具備意識與智能；如何實現(xiàn)更具人類特質(zhì)的人工系統(tǒng)；以及如何促進腦損傷患者恢復(fù)健康的大腦功能與認知能力。

報告主題

是什么讓人類大腦如此特別？這對人工智能有什么啟示？

報告摘要

人類非常聰明，而這與我們大腦處理信息的方式息息相關(guān)。盧皮博士將匯集來自不同物種和神經(jīng)科學不同領(lǐng)域的研究成果，拼出更完整的圖景，聚焦在人類大腦與其他靈長類動物的不同之處。這種差異是如何產(chǎn)生的？又可能在哪些方面出錯？通過這些研究，我們或許能從中汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，了解在構(gòu)建智能系統(tǒng)時應(yīng)當如何做，或者不該怎么做。

內(nèi)容預(yù)覽

?? 視頻回放（內(nèi)嵌校對版英文字幕）

謝謝大家的到來。我將和大家分享一些我在攻讀博士學位期間，以及后來博士后研究中所做的工作。正如在介紹中提到的，我最初是作為一名哲學家出發(fā)的，但我認為，有必要時刻提醒自己：我們這些選擇研究神經(jīng)科學的人，究竟是為什么要進入這個領(lǐng)域。我覺得一個很有幫助的提醒是：雖然地球上有很多不同的物種，擁有各種不同的大腦，其中絕大多數(shù)只能坐在地球上仰望月亮，但只有一個物種可以站在月球上回望地球，那就是我們這個物種。這就是人類大腦的力量——研究它，就是在研究這種獨特性。

那么，為什么會這樣呢？為什么我們頭骨里的這一團“脂肪”能做到其他物種完全做不到的事情？這就是推動神經(jīng)科學與心理學研究不斷向前的核心問題。所以，頭骨里的那團“脂肪”——在人類這里，能做到其他物種做不到的事。這也是我們許多人進入這個領(lǐng)域的原因。現(xiàn)在我們知道，大腦主要的功能——可以說是最核心的功能——并不是像亞里士多德所認為的那樣“冷卻血液”，而是處理信息。我們從環(huán)境中獲取信息，然后必須用這些信息來做出決策并采取行動。而這正是人類特別擅長的地方。

問題也隨之而來：信息并不是單一的實體，實際上有很多不同類型的信息。我想用一個小小的卡通例子，來說明我所說的“不同類型的信息”是什么意思。既然我們在英國，就用夏洛克·福爾摩斯——一位算是“民族英雄”的人物——作為例子。現(xiàn)在你就是福爾摩斯，你需要從九個嫌疑人中找出某起案件的罪犯。作為福爾摩斯，你找到了一位證人。證人是你獲取信息的來源。證人告訴你，罪犯有胡子。根據(jù)這條信息，你就可以排除掉一些沒有胡子的嫌疑人。因為你是一個非常優(yōu)秀的審問者，你還從證人口中套出了另一條信息：罪犯戴過帽子。于是，你又能排除掉一部分嫌疑人，但證據(jù)仍不足以定罪，因為至少還有兩個人符合條件。福爾摩斯是個非常出色的偵探，他又找到了第二個證人。第二個證人再次確認了罪犯有胡子——這是你已經(jīng)知道的信息，但得到確認總是好的。然后，第二個證人補充說，罪犯有棕色的頭發(fā)。現(xiàn)在，如果你只看第二個證人說的內(nèi)容——胡子和棕發(fā)——你依然沒有足夠的證據(jù)定罪，因為至少有兩個人符合條件。然而，如果你把所有證人——所有信息來源——提供的信息放在一起看，那么突然之間，只有一個人符合所有條件。罪犯就這樣被鎖定了。

那么我們能從中得到什么啟示呢？我們有不同的信息來源，它們提供了不同的信息片段。其中一部分是重復(fù)信息——比如胡子這件事，這是你從兩個來源都得到的冗余信息。這為什么重要呢？因為即便其中一個來源忘了提，你仍然能通過另一個來源獲取。也就是說，這類信息更穩(wěn)固。另一方面，還有一些信息是獨特的，只能從某一個來源得到——比如頭發(fā)和帽子的信息，只有一個人告訴了你。最后，還有一種信息，是兩個來源單獨都沒給你的，但當你把它們放在一起時，就出現(xiàn)了新的信息——比如罪犯的真實身份。這就是協(xié)同信息（synergistic information）。它只有在多個信息片段結(jié)合時才會出現(xiàn)，而單獨看任何一個來源時是得不到的。幸運的是，這不僅僅是一個講故事的框架，我們實際上有一套完整的數(shù)學理論來處理它，叫做信息分解（information decomposition）。通過它，我們可以區(qū)分不同來源提供的獨特、冗余和協(xié)同信息。這些信息可以來自天氣數(shù)據(jù)，也可以來自大腦活動。

我再舉一個例子，因為不同的思維方式幫助我自己更好地理解了這個問題，我希望也能幫助到你們。我們其實都熟悉“冗余、獨特和協(xié)同”的問題，即便我們不這樣稱呼。比如，我們大多數(shù)人有兩個視覺信息來源——簡單說就是兩只眼睛。兩只眼睛大部分時間看到的東西是相同的——這是冗余信息。但如果閉上一只眼，你會發(fā)現(xiàn)邊緣部分的視野消失了。這就是每只眼睛各自提供的獨特信息。而要真正獲得三維視覺，我們必須依靠兩只眼睛的協(xié)同作用——因為雙眼的位置略有不同，大腦就能從差異中推算出深度。看過 3D 電影的人都知道：閉上一只眼，立體感就完全消失了。這就是協(xié)同信息。所以我們早就熟悉它，只不過我這里用的是一個更形式化的方法來解釋我們?nèi)绾螐亩嘣葱畔⒅刑崛∵@些部分。

問題來了：這些對大腦有什么啟示？特別是，大腦是否真的在利用這些不同類型的信息？為了解答，我們使用了功能性磁共振成像（fMRI）。這種方法和之前的研究方式不同。fMRI 的速度較慢，但能同時告訴我們大腦所有區(qū)域的活動情況。實驗中，被試者只是躺在掃描儀里，不需要做特定任務(wù)。我們觀察的是不同腦區(qū)的波動關(guān)系：它們是同步的，還是相互對立的？換句話說，我們關(guān)心的是大腦活動在靜息狀態(tài)下的內(nèi)在組織。

我們把每一對腦區(qū)看作兩個信息來源，然后分析它們的協(xié)同、冗余和獨特信息。接著我們問：這些分布在哪里？一種可能是全腦均勻分布——每個區(qū)域的協(xié)同和冗余信息一樣多，這說明大腦在各處都保持平衡。另一種可能是某些區(qū)域協(xié)同多、某些區(qū)域冗余多，但沒有明顯的解剖學規(guī)律，就像“鹽和胡椒”隨機散布。還有一種情況，就是我們實際觀察到的：一些區(qū)域（紅色）協(xié)同多于冗余，另一些區(qū)域（藍色）冗余多于協(xié)同。而且它們并不是隨機分布，而是符合解剖學邏輯。比如，藍色區(qū)域主要對應(yīng)大腦的視覺和運動區(qū)，而紅色區(qū)域?qū)?yīng)高級聯(lián)想皮層——也就是參與社會認知、數(shù)字認知或工作記憶的區(qū)域。

我們不必光聽我說——畢竟我出身哲學，神經(jīng)解剖可能不太牢靠。你們可以相信 Neurosynth 這個工具，它整合了大約 1.5 萬個神經(jīng)影像學實驗的數(shù)據(jù)，告訴你每個區(qū)域和哪些任務(wù)相關(guān)。結(jié)果顯示，藍色區(qū)域確實更多參與感知和運動任務(wù)，而紅色區(qū)域——高協(xié)同區(qū)——則更多參與高級認知。

另一種思考方式是把“感知 vs 整合”不看作二元對立，而是一個連續(xù)梯度。比如 Sydnor 等人 (2021, Neuron) 的工作，他們繪制了從感知到整合的漸變圖。黃色區(qū)域?qū)?yīng)我們的藍色區(qū)域，紫色對應(yīng)我們的紅色區(qū)域。盡管他們的方法是結(jié)合多種解剖學數(shù)據(jù)得到的，但結(jié)果和我們基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的協(xié)同/冗余分布高度吻合。

我要強調(diào)的是：這是我們基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)果，不是先入為主的假設(shè)。我們沒有規(guī)定哪里應(yīng)該是協(xié)同、哪里應(yīng)該是冗余，而是完全“盲測”，最后數(shù)據(jù)自己給出了這樣一個圖譜。而且它和任務(wù)數(shù)據(jù)、解剖數(shù)據(jù)都很好地對照上了。這說明它反映的是大腦內(nèi)部信息架構(gòu)的一部分，而這并不是我們預(yù)先設(shè)定的，而是自然呈現(xiàn)出來的。

你可能會問：既然不同腦區(qū)有不同的信息“表型”，那它們?yōu)槭裁磿@樣分布？……

本文為「神經(jīng)現(xiàn)實意識社區(qū)」專屬內(nèi)容

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