自由能原理：為什么大腦被比喻成一臺“預(yù)測機(jī)器”？

如果你留心自己的一天，會發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的事實(shí)：真正“發(fā)生”的事情，往往比你以為少得多。

走進(jìn)一間熟悉的房間，你不會一邊走一邊認(rèn)真“看清楚所有細(xì)節(jié)”，而是大腦自動“補(bǔ)全”了大部分畫面；聽別人說話時(shí)，對方話說到一半，你已經(jīng)在心里“猜完了后半句”；刷手機(jī)看新聞標(biāo)題，你甚至沒讀完，就已經(jīng)在腦中形成了大致評判。

我們習(xí)慣以為，大腦是在被動接收信息——世界是什么樣，信號進(jìn)來，我們就知道了。但過去二三十年的神經(jīng)科學(xué)研究，尤其是所謂“自由能原理（Free Energy Principle）”和“預(yù)測加工（Predictive Processing）”框架，正在告訴我們：事實(shí)恰恰相反。

大腦更像一臺“預(yù)測機(jī)器”：它不斷根據(jù)自己已有的模型，去“猜”外界會發(fā)生什么，再用真實(shí)的感官輸入來糾正猜測的誤差；它努力做的不是“完美還原現(xiàn)實(shí)”，而是“盡量減少驚訝”。

自由能原理，就是試圖用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)理框架，把這種“減少驚訝”的機(jī)制說清楚。

一

從“被動接收”

到“主動預(yù)測”

傳統(tǒng)直覺認(rèn)為：感知路徑是“外界 → 感官 → 大腦”，好像外界給什么，我們就接收什么。

但很多現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都和這個(gè)“被動接收模型”對不上：

為什么我們會出現(xiàn)錯(cuò)覺？在光線很差、信息很少的時(shí)候，我們竟然還能迅速識別出大概是什么東西？為什么我們會“看錯(cuò)”“聽錯(cuò)”，并堅(jiān)定地以為自己看到 / 聽到的是另外一回事？

如果大腦只是老老實(shí)實(shí)接收信號，這些“錯(cuò)”似乎不太好理解。

預(yù)測加工的視角則認(rèn)為：大腦本身就帶著一套又一套關(guān)于世界的假設(shè)（模型），它不斷從高層往低層發(fā)出“預(yù)測信號”，告訴視覺、聽覺等各級處理站：“按照以往的經(jīng)驗(yàn)，這里大概率會出現(xiàn)什么。”

真正來自外界的感官輸入，只是在對這些預(yù)測進(jìn)行校正——預(yù)測和現(xiàn)實(shí)之間的差異，就是“預(yù)測誤差”。

簡單說：看到的不是“真實(shí)世界本身”，而是“預(yù)測模型 + 誤差信號”綜合后的結(jié)果。

二

自由能原理

用一個(gè)公式說清“減少驚訝”

自由能原理由神經(jīng)科學(xué)家 Karl Friston 提出，原本來源于統(tǒng)計(jì)物理中的“自由能”概念，后來被他發(fā)展成一個(gè)跨層次的統(tǒng)一框架，用來解釋大腦、知覺、行為甚至生命系統(tǒng)的運(yùn)作方式。

通俗一點(diǎn)講，它有兩個(gè)核心思想：

第一，生物系統(tǒng)必須避免“被徹底驚嚇?biāo)馈薄?/p>

一個(gè)有機(jī)體如果經(jīng)常遇到完全出乎意料的狀況，比如溫度、電解質(zhì)濃度、能量供應(yīng)都劇烈波動，它很快就會死掉。所以，從演化的角度看，任何能維持自身穩(wěn)定存在的系統(tǒng)，必然在某種意義上“避免持續(xù)的大驚訝”。

第二，“驚訝”在數(shù)學(xué)上可以用一個(gè)量來近似，那就是“自由能”。

在 Friston 的框架中，自由能是一種上界（upper bound）：它是一個(gè)系統(tǒng)對“驚訝”（即當(dāng)前感官輸入與內(nèi)部模型不匹配程度）的可計(jì)算近似。系統(tǒng)無法直接計(jì)算“真正的驚訝”，但可以通過最小化“自由能”，間接實(shí)現(xiàn)“盡量減少驚訝”的目標(biāo)。

于是就有了很有名的一句話：任何自我維持的生物系統(tǒng)，都在以某種方式“最小化自由能”。

而大腦，只是一個(gè)特別復(fù)雜、特別精細(xì)的“自由能最小化機(jī)器”。

三

大腦如何“最小化自由能”？

兩條路：改模型，改世界

聽起來很玄，但如果翻譯成人話，其實(shí)很簡單：

當(dāng)大腦的預(yù)測和現(xiàn)實(shí)不一致，也就是“預(yù)測誤差”很大時(shí)，它有兩條路可以讓誤差變小：

第一條，更新自己的內(nèi)部模型。也就是：“原來我以為世界是 A，但現(xiàn)在看來更像是 B，那就把模型調(diào)整一下吧。”這就是所謂的“知覺學(xué)習(xí)”“概念修正”。比如，你以前以為狗都很兇，后來反復(fù)接觸到溫順的小狗，你的大腦就會悄悄調(diào)整“狗＝危險(xiǎn)”的信念。

第二條，改變現(xiàn)實(shí)讓它匹配模型。也就是用行動去“實(shí)現(xiàn)”自己預(yù)測的狀態(tài)。比如，你覺得“待在溫暖的房間里很安全”，那當(dāng)你走到寒風(fēng)中時(shí)，身體會自動讓你縮回屋內(nèi)，或者讓你加衣服、關(guān)窗戶。通過行動，你讓外界回到了和內(nèi)部模型更一致的狀態(tài)。

這兩種方式，分別對應(yīng)了自由能原理里兩個(gè)重要過程：

? 知覺（perception）：通過更新內(nèi)在模型來減少自由能；? 行為 / 行動（action）：通過改變感官輸入來減少自由能。

也就是說，大腦在不斷回答兩個(gè)問題：

“是不是我理解錯(cuò)了？”（那就更新模型）“還是我應(yīng)該做點(diǎn)什么？”（那就改變現(xiàn)實(shí)）

聽起來很像我們?nèi)粘５男睦頀暝瑢Π桑?/p>

四

“預(yù)測機(jī)器”的層級結(jié)構(gòu)：

自上而下 vs 自下而上

在具體的神經(jīng)實(shí)現(xiàn)上，預(yù)測加工框架認(rèn)為：大腦是一個(gè)多層級的貝葉斯推理系統(tǒng)。

簡單拆解一下：

1. 自上而下（top-down）：高層給低層下“預(yù)測指令”。

比如，最高層可能有一個(gè)抽象的“場景假設(shè)”：這里是一間辦公室。稍微低一點(diǎn)的層級可能預(yù)測：會有桌子、椅子、電腦等。再低一層則預(yù)測：某些具體形狀、邊緣、顏色分布。這些預(yù)測不斷向下傳遞，到達(dá)感官處理的各個(gè)站點(diǎn)。

1. 自下而上（bottom-up）：低層把“預(yù)測誤差”往上送。

現(xiàn)實(shí)感官輸入抵達(dá)每個(gè)層級，與相應(yīng)的預(yù)測進(jìn)行對比。差別越大，誤差信號越強(qiáng)，就越有可能往上傳遞，促進(jìn)高層模型更新；如果誤差不大，說明預(yù)測基本靠譜，就沒必要大動干戈。

從這個(gè)角度看：

感官輸入主要不是在告訴大腦“世界是什么”，而是在告訴大腦“世界哪里和你想的不一樣”。

五

為什么自由能原理

會被說成“萬金油”？

自由能原理野心特別大：它不僅試圖解釋感知，還想解釋行動、學(xué)習(xí)、注意、情緒、甚至社會互動、精神疾病、意識本身。在 Friston 的寫法中，幾乎所有這些過程都可以被描述為“系統(tǒng)在不同層面上最小化自由能的方式”。

正因如此，這個(gè)理論也被部分學(xué)者帶著調(diào)侃地稱為“萬金油”：好像什么都能往里面塞。

批評者的幾點(diǎn)擔(dān)憂包括：

1. 太抽象，難以證偽。如果一個(gè)框架總能事后解釋一切，那它在科學(xué)意義上的“可檢驗(yàn)性”就成問題。

2. 數(shù)學(xué)形式復(fù)雜，和具體實(shí)驗(yàn)的連接有時(shí)并不直接。在很多應(yīng)用中，自由能只是以“類比”形式出現(xiàn)，而非嚴(yán)格推導(dǎo)。

3. 和現(xiàn)有理論存在大量重疊。比如，它和傳統(tǒng)的貝葉斯大腦、預(yù)測編碼理論有高度重合；有人認(rèn)為，完全可以在不提“自由能”的情況下講清大部分內(nèi)容。

但支持者會反駁：自由能原理的價(jià)值不在于“提出一個(gè)全新的概念”，而在于提供一套統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語言，讓我們可以把不同層次的過程（從神經(jīng)到行為再到社會）放在同一框架下描述。

這一爭論至今仍在繼續(xù)。

六

從錯(cuò)覺到精神疾病：

自由能原理的應(yīng)用想象

無論是否接受它作為“總綱”，自由能 / 預(yù)測加工視角已經(jīng)在很多具體領(lǐng)域產(chǎn)生啟發(fā)。

1. 知覺與錯(cuò)覺

比如，經(jīng)典的視覺錯(cuò)覺可以被解釋為：當(dāng)大腦有一個(gè)特別強(qiáng)的先驗(yàn)?zāi)Ｐ停╬rior），以為世界“通常是那樣”的時(shí)候，即使感官輸入給出的線索有點(diǎn)不一樣，它也會把更多權(quán)重壓在預(yù)測上，寧愿“看錯(cuò)”。

錯(cuò)覺因此不是“感官壞了”，而是“強(qiáng)有力的預(yù)測戰(zhàn)勝了輸入”。

1. 精神疾病

一些理論嘗試用“預(yù)測誤差權(quán)重”來理解精神病理：

? 在幻覺中，大腦對內(nèi)部信號（比如自發(fā)的活動）賦予了過高的重要性，把它當(dāng)作外界輸入；? 在偏執(zhí)中，大腦對某類預(yù)測誤差極端敏感，把所有隨機(jī)波動都解釋為“敵意”或“針對”；? 在抑郁中，系統(tǒng)的整體預(yù)測模型可能極其悲觀，以至于各種新的正向體驗(yàn)都被當(dāng)作“噪音”而忽略。

這些都還在理論與探索階段，但提供了一種有趣的統(tǒng)一視角：精神癥狀可能是“預(yù)測系統(tǒng)失衡”的不同表現(xiàn)。

1. 行為與主動推理（Active Inference）

自由能原理還有一個(gè)延伸概念叫“主動推理”：大腦不只是被動更新信念，而是通過行動去讓世界變得“更符合自己可以預(yù)測的樣子”。

比如：你覺得“輕微晃動就是地鐵里”，于是身體會自動做出一些姿態(tài)來“適應(yīng)地鐵車廂”，反過來這些姿態(tài)又提供了“確實(shí)像在地鐵”的感覺。

這意味著：我們并不是在“發(fā)現(xiàn)世界是什么樣”，而是在不斷“參與構(gòu)造一個(gè)可預(yù)期的世界”。

七

文明層面的隱喻：

一個(gè)“巨大預(yù)測系統(tǒng)”的時(shí)代

如果稍微拉遠(yuǎn)視角，會發(fā)現(xiàn)“自由能 / 預(yù)測加工”的隱喻已經(jīng)影響到了技術(shù)和社會層面：

? 在 AI 領(lǐng)域，生成模型本質(zhì)上也是“預(yù)測未來像素/詞語”的機(jī)器；? 在資本市場，風(fēng)險(xiǎn)控制就是試圖把劇烈的“驚訝”降到可承受水平；? 在個(gè)人生活中，我們構(gòu)建各種“安全感系統(tǒng)”，也是在減少那些“完全不知道會發(fā)生什么”的狀態(tài)。

自由能原理提供的，不僅是一套神經(jīng)層面的解釋，也給了我們一個(gè)“時(shí)代自我隱喻”：我們正在用“預(yù)測機(jī)器”的視角看待自己、看待技術(shù)、看待社會。

這既有力量，也有危險(xiǎn)——一方面，它提醒我們：不確定性是生命的本質(zhì)之一，我們永遠(yuǎn)在“不完全知道”的狀態(tài)下前行，只能盡量讓自己的模型更好一點(diǎn)；另一方面，如果把一切都簡化成“最小化驚訝”，我們也容易忽略那些需要主動“走出舒適區(qū)”的部分——很多成長、創(chuàng)造和真正的轉(zhuǎn)折，恰恰來自“允許一定程度的驚訝發(fā)生”。

八

我們不是公式，

但可以從公式里學(xué)點(diǎn)東西

回到題目：“為什么大腦被比喻成一臺預(yù)測機(jī)器？”

因?yàn)樵谧杂赡茉砗皖A(yù)測加工的視角里，大腦最核心的任務(wù)不是被動記錄現(xiàn)實(shí)，而是在有限的時(shí)間和資源內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)“足夠好”的世界模型，使得我們不至于被不確定性和驚訝吞沒。

它通過不停預(yù)測、不斷修正，在噪音中維持一條可走的路。

當(dāng)然，人不只是“最小化自由能的系統(tǒng)”，我們還有愛、創(chuàng)造、價(jià)值、責(zé)任、信念……這些東西遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何一個(gè)公式。

但理解這套“預(yù)測機(jī)器”的底層工作方式，至少可以讓我們在面對自己的焦慮、固執(zhí)和恐懼時(shí)，多一點(diǎn)寬容：

原來，大腦一直在努力幫我們避免崩潰，只是有時(shí)，它用的方式有點(diǎn)過時(shí)，需要我們用更高一層的覺察，溫柔地更新它的模型。