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铭传大学卡尔·弗里斯顿(Karl Friston)和自由能原则

时间:2022-04-19 浏览:


大脑可以“记住”未来的事件么?事实上,这就是自由能原则的推论,因为自由能原则确信:在我们感知到现实之前,大脑就能预测即将到来的现实。


自由能原则

卡尔·弗里斯顿(Karl Friston)是一名神经科学家,也是自由能原则(The free energy principle)的创造者,专家认为,Friston的自由能原则可能会彻底改变大脑研究。

Friston开发了一种强大的技术来分析大脑成像结果,并逐渐发展了这一理论,揭示了大脑皮层活动的各个方面。

人们认为Friston是过去25年来最重要的脑科学研究人员之一。2010年3月,他在欧洲议会组织的脑意识周(Brain Awareness Week)期间介绍了自由能原则,语惊四座。

Friston, K. . (2010). Friston, k.j.: the free-energy principle: a unified brain theory? nat. rev. neurosci. 11, 127-138. Nature Reviews Neuroscience, 11(2), 127-138. DOI:10.1038/nrn2787

神经元是形状精致优雅的细胞,是神秘的灵魂蝴蝶,也许有一天,神经元的脉动会揭示精神生活的秘密。

人们相信,自由能原则或许能够帮助我们创建一个(通过数学定律对大脑进行表达的)统一理论。事实上,尽管脑神经科学在绘制大脑地图方面取得了很大进展,但仍然不清楚大脑的每个部分是如何整合在一起的。Friston的理论推动了整合理论的发展。


贝叶斯推理

贝叶斯统计理论(Bayesian statistical theory)建立在概率模型基础之上。18世纪,英国牧师托马斯·贝叶斯提出了这一假设。

贝叶斯推理极其复杂,本文不再赘述。不过,贝叶斯原则是自由能理论的基本部分,下面,我们讲述一些两者之间的一些基本知识。

下面这个实验完美地说明了贝叶斯理论。

在一个房间里,有几个盒子,其中3/4是红色,1/4是蓝色。红色盒子里有80%的红色代币和20%的蓝色代币。蓝色盒子里有80%的蓝色代币和20%的红色代币。

被蒙上眼睛的参与者被带到一个盒子里面,研究人员要求参与者抽取一些代币券。参与必须推断,他们抽取的是哪种颜色盒子里的代币券。

一般来说,这个实验的推断(deduced)是:人们有先验的推断(priori inference)。例如,“我更有可能得到一个红色盒子,因为红色盒子更多。”

当参与者抽取了这些代币后,对自己的这种先验推断进行了测试。

如果他们拿出的蓝色代币比红色代币多,他们可能会改变他们的推论“既然我拿出了更多的蓝色代币券,盒子就更有可能是蓝色的”。这被称为似然函数(likelihood function)。

Friston声称,大脑的自由能原则也是以这种方式进行工作的。


自由能原则

韦尔康姆基金会神经造影中心(Wellcome Trust Center for Neuroimaging)的Karl Friston教授于2010年提出了他的自由能理论(The free energy principle)。该理论旨在解释大脑的工作原理,自由能原则遵循两个基本原则。

第一个原则认为,大脑会不断地预测未来世界。事实上,大脑从未停止这项工作。

第二个原则指出,大脑会应用贝叶斯推理,并且让这些预测保持一致。即,大脑先根据经验(experiences)进行预测(也就是先验推断),然后根据实践中(practice)观察到的和验证(verifies)的内容调整其预测。Friston认为,这样做的目的是尽可能避免任何意外。

这并不是说大脑不喜欢惊喜,而是说,大脑在运转过程中会节省能量,以避免惊喜的程度。这是因为,出乎意料的事情会迫使大脑运用更多的程序,更努力地工作。因此,大脑会时刻不停地“预测”正在发生或不会发生的事情,这样就能够利用我们学到的知识,同时避免花费不必要的精力。


一项实验

来自苏格兰格拉斯哥大学心理学系和德国法兰克福马克斯-普朗克大脑研究所的研究人员进行了一项实验,该实验似乎支持了自由能原则。该实验验证了大脑有效地“预测”以节省能源的工作模式。

[1] Alink, A. , Schwiedrzik, C. M. , Kohler, A. , Singer, W. , & Muckli, L. . (2010). Stimulus predictability reduces responses in primary visual cortex. Journal of Neuroscience, 30(8). DOI:10.1523/JNEUROSCI.3730-10.2010

简单说,当你走进办公桌时,你的脑海中已经有办公桌的整体景象。你不需要看每个物体就知道这些物体在哪里。你几乎能够在不看到它们的情况下,伸手从抽屉里拿走一直放在那儿的钢笔。只有出现当新的事物,或物品不在固定的位置时,大脑才会激活你的注意力。

为了测试这个想法,研究人员招募了12名被试。并要求他们盯着电脑屏幕上的一个图像,与此同时扫描他们大脑的运作方式。

电脑屏幕上有一个固定的图像,并且在这个固定的图像的下方和上方会出现两个闪现的光点。此外,研究人员还在屏幕上引入了随机滚动的点。

他们发现,当存在可预测的元素(即,固定图像和上面和下面的两点)时,大脑活动就会降低。另一方面,当出现不可预测的刺激时(即,随机点出现的时候)大脑就会被激活。该实验证明了自由能原则的基本原理。

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