封面：Jason Solo

導語

在理論上，人工智能能自己學習大腦活動數(shù)據(jù)中的隱藏模式，并告訴我們一個關于大腦如何運作的故事。但這個故事不一定關于我們的大腦。

關鍵詞：人工智能，大腦

Bahar Gholipour丨作者

P丨譯者

Soda丨審校

老司橘丨編輯

神經現(xiàn)實（ID：neureality）| 來源

用人工智能解釋大腦，一個虛假故事的開端？| 原標題

人們通常將大腦比作一個黑箱，但任何曾窺見其內在的神經科學家都知道，這仍舊只是一個輕描淡寫的說法。技術進步正使我們越來越能夠接近神經環(huán)路，現(xiàn)在，我們有條件仔細觀察幾乎任何數(shù)量的神經元的活動。然而，大腦的神秘只隨之愈深。如同交響樂般的神經元同步發(fā)放，其蘊含的意義是什么？神經活動如何將光和聲波轉化為我們對視覺和聽覺的主觀體驗？神經元進行什么樣的計算，它們所遵循的廣泛原則又是什么？大腦并不是一個黑箱——它是一個陌生世界，那里的語言和局部法則尚未被破解，而直觀則已然消亡。

人工智能可以為我們解決這個問題嗎？也許吧。但最近的一個認識是，即使是我們在人工智能技術方面已經取得巨大成功的最新、最強大的工具，在被用于解碼大腦時也是舉步維艱。誠然，機器學習算法，如人工神經網絡，已經為我們解決了許多復雜的任務。它們可以預測天氣和股市，或者識別物體和人臉。而更重要的是，它們不需要我們告知規(guī)則就能做到。至少在理論上，它們應該能夠自己學習大腦活動數(shù)據(jù)中的隱藏模式，并告訴我們一個關于大腦如何運作的故事。事實上，它們的確講出了一個故事。只不過，正如一些科學家所發(fā)現(xiàn)的那樣，這個故事不一定是關于我們的大腦。

這就是冷泉港實驗室（Cold Spring Harbor Laboratory）助理教授塔提亞娜·恩格爾（Tatiana Engel）最近在研究大腦決策時發(fā)現(xiàn)的。作為一名物理學家出身的計算神經科學家，恩格爾致力于開發(fā)能夠幫助解釋我們做決策時的神經元活動的數(shù)學模型。雖然神經科學家們已經提出了一些理論，但他們還沒有就決策——即便是最簡單的那些——是如何在大腦中實現(xiàn)的達成共識。帶著探索更廣泛的可能性，恩格爾轉向了機器學習：她不再從具體的假設出發(fā)建立神經活動的模型，而是從靈活的、可以根據(jù)數(shù)據(jù)自我塑造并自行找出自身參數(shù)的模型出發(fā)。

在這種方法中，評估機器學習產生的模型的標準是它們在多大程度上能預測一組訓練時沒有見過的新的大腦測量結果。但在這一過程中，恩格爾想知道，我們到底有多確信這一最優(yōu)模型反映了大腦的內在邏輯？

“現(xiàn)在，在神經科學以及其他領域，使用這種靈活模型作為了解真正的物理、生物系統(tǒng)的工具的現(xiàn)象越來越普遍了?！倍鞲駹栒f，“像這樣，我們建立一個模型，然后發(fā)現(xiàn)它可以很好地預測來自某個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。接著我們就會做出這樣一種假設，即這樣一個模型應該是以類似于真實系統(tǒng)的方式運作，因此，通過研究模型如何運作，我們就將理解系統(tǒng)如何運作。”

團隊合作：一位物理學出身的計算神經科學家，塔提亞娜·恩格爾，與同事米哈伊爾·根金的合照。他們正在開發(fā)數(shù)學模型以理解神經元如何協(xié)作，最后達成我們的大腦每天每分鐘都會做的決策。丨冷泉港實驗室

然而，更多時候，這一假設可能是沒有根據(jù)的。在2020年的一項研究中，恩格爾和她的同事，冷泉港實驗室的一名博士后，米哈伊爾·根金（Mikhail Genkin）檢查了靈活模型在人工合成的數(shù)據(jù)上的效果，這些數(shù)據(jù)的內部動態(tài)是研究人員已知的[1]。他們發(fā)現(xiàn)，反直覺地是，有時最優(yōu)模型反而離反映產生數(shù)據(jù)的原始系統(tǒng)的核心特征最遠。“它們（模型）可能具有系統(tǒng)中根本不存在的特征或屬性?！倍鞲駹柋硎?，“一個模型可以對數(shù)據(jù)進行良好的預測，同時依舊是錯誤的?！睋Q句話說，預測能力——機器學習算法的黃金標準——在被應用到神經科學時可能是一個誤導性的指標。

如果沒有有效的計算模型，科學家們可能很難有機會理解海量的大腦數(shù)據(jù)，并解釋大腦的功能如何由神經活動產生。使用人工智能幫助大腦建模的前景正備受吹捧，而恩格爾和其他研究人員的發(fā)現(xiàn)可能會讓人覺得是在潑冷水。然而，這些問題并不是無法克服的，恩格爾說。她和其他人已經在想辦法避開這些陷阱。他們正在開發(fā)一些方法，這些方法將使他們能夠繼續(xù)使用人工智能的強大工具，而不會對誤導性的敘事信以為真。

在計算層面描述神經元行為的嘗試最后總是帶來讓人不得不謙卑的教訓，即使是那些成功的嘗試。1952年，阿蘭·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德魯·赫胥黎（Andrew Huxley）把神經元想象成一個電路，其中被仔細排布的電阻和電容可以產生類似于神經元特征性的峰電位（spike）的電流，而峰電位是大腦中通訊的基本要素。這一模型被證明是一項里程碑式的成就，但要理解其重要性卻遠不是看著方程式就能直接知道的。當赫胥黎花了好幾天時間費力地將電壓數(shù)字輸入一個機械計算器，觀察電路的輸出是否與真正的神經元相匹配時，他對這個簡單模型的復雜行為深感驚嘆。“很多時候，我的期望都是錯誤的?！彼谑旰蟮闹Z貝爾獎演講中回憶說，“我從這些手工計算中得到的一個重要教訓是，在試圖研究這種復雜程度的系統(tǒng)時，一個人的直覺是完全不夠的。"

神經科學家們現(xiàn)在面臨著更高數(shù)量級的復雜性，因為他們已經轉向研究活體動物和人身上的神經元群體。即使只是來自于100個神經元的數(shù)據(jù)，也大得讓人眼花繚亂。它的變化是動態(tài)的，沒有明顯的韻律和緣由。而且，人們很少清楚其中哪些部分與正在被研究的大腦功能真正相關。這些因素使得我們更難提出概念或者數(shù)學模型來描述神經活動。

更難的是要弄清楚哪一個被提出的模型能解釋關于神經元的一些真實情況，而哪一個模型又只是幸運地正好在數(shù)學上和數(shù)據(jù)匹配。在不知道大腦的基本規(guī)則的情況下，科學家們能做的，最多就是看看這些模型相互之間比較起來會是怎樣的。

“這就像我們看到的只有一輛移動的汽車，而我們必須通過對引擎蓋下發(fā)生的事情做出假設來探明它是如何移動的。”與恩格爾合作研究決策的波士頓大學神經科學家錢德拉莫里·錢德拉塞卡蘭（Chandramouli Chandrasekaran）說，“然后我們試圖找出，所提出的想法——例如模型A和模型B——中到底是哪一個在匹配我們對汽車運動的測量，讓它做得更好?！?/p>

錢德拉塞卡蘭說，盡管這是一種越來越流行的方法，但這種方法仍然可能在重要方面失敗。作為一個在工作中直接接觸大腦測量的、同時做計算和實驗的研究人員，錢德拉塞卡蘭親身體會到，神經活動完全不像一輛平穩(wěn)行駛的汽車——它理所當然地太復雜了，以至于不可能正好被我們只是粗略勾勒的模型所描繪得完全相符?！?strong>實驗數(shù)據(jù)通常要復雜并且異質得多。這就是它（神經活動）的本質。它不像你認為的那樣簡單和漂亮?！彼f。錢德拉塞卡蘭已經在一篇文章[2]中說明，這在實踐中意味著，神經活動的細微變化有時會導致它被歸類為模型A，而實際上它遵守的是模型B，反之亦然。這就是為什么對兩個模型進行正面的直接比較并不能保證確定模型正確性的原因之一。

最近在決策領域爆發(fā)的一場激烈爭論突出了這些困難。一切始于2015年發(fā)表于《科學》期刊的一篇論文中的爭議性發(fā)現(xiàn)。該論文比較了兩個模擬大腦如何做出決定的模型，特別是知覺決策（perceptual decisions）[3]。知覺決策涉及大腦對其收到的感覺信息做出判斷：它是紅色還是綠色？它是在向右還是向左移動？這個決定很簡單，但如果你正好被交警攔下，它就可能會帶來嚴重的后果。為了研究大腦如何做出這些決定，研究人員幾十年來一直在記錄動物體內神經元群的活動。當神經元的發(fā)放率被繪制出來并對多次試驗取平均時，它呈現(xiàn)出一種逐漸升高的信號，以“上升”到一個決定。

自20世紀90年代以來，基于一個有影響力的模型的標準敘事，這一“上升”反映了神經元對證據(jù)的逐漸積累。換句話說，這就是神經元發(fā)出決策信號的方式：它們在收集支持一種或者另一種選擇的證據(jù)時，會增大自身的發(fā)放率，直到積累下來的證據(jù)使它們的發(fā)放率達到閾值。然而，那份2015年的研究問道，“上升”是否是對多次試驗進行平均造成的一個偽影（artifact）：分析單一試驗的混亂且有限的數(shù)據(jù)要難得多，但在一次試驗中會發(fā)生什么？一個神經元的發(fā)放率是真的在持續(xù)上升還是在進行離散的跳躍？這一差異可能指向決策背后的不同策略。他們的分析表明，相比起“上升”模型，神經元的應答更符合跳躍模型。幾年過去后的現(xiàn)在，經過許多研究，科學家們還是沒有一個關于哪個模型是正確的確切結論。

而且情況還可能更糟：兩個模型可能都不正確?！叭绻幸粋€C模型呢？或者D呢？”恩格爾說。如果取而代之的是，她可以測試一系列連續(xù)的模型呢？這就是靈活建模最有用的地方，它不會把她限制在少數(shù)幾種情況下。但恩格爾發(fā)現(xiàn)，這種方法也可能選擇出與本質上的物理現(xiàn)實沒有多少共同之處的情景。首先，她必須找到一個解決這個問題的方法。

靈活模型在開發(fā)時考慮的是機器學習的目標：對預測能力進行優(yōu)化。通過這種方式，它們可以把從一組數(shù)據(jù)中學到的東西，應用到它們以前沒有見過的新數(shù)據(jù)上。例如，當建立一個分類器來區(qū)分貓和狗時，目標是在現(xiàn)實世界中它仍然可以區(qū)分貓和狗。其算法是否使用與我們大腦相同的策略來實現(xiàn)這一目標并不重要。事實上，在這種情況下，它肯定不是這樣做的。

另一方面，神經科學家則有一個在根本上不同的目標：他們不想只是用一個模型擬合數(shù)據(jù)，而是想從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)猜想。他們希望能夠有一個模型能從神經活動中學到如何變得像神經元一樣。恩格爾說：“我們不得不放棄這種為預測而優(yōu)化模型的想法，并想出一種新的方法，將一個不同的目標提出來。”她和根金一起關注這樣一個事實，即在不同的數(shù)據(jù)樣本中，真實的特征總是相同的，但噪聲是不同的。就這樣，他們開發(fā)了一個新的程式，以允許在不同的數(shù)據(jù)樣本上發(fā)現(xiàn)模型，并提取它們的共同特征。這種新方法識別了生成合成數(shù)據(jù)的正確模型。而當應用于真實的大腦數(shù)據(jù)時，它為每個樣本得出了類似的模型，這表明與傳統(tǒng)方法的胡亂猜測不同，這些模型已經捕獲了系統(tǒng)的一些真實特征。

這一解決方案發(fā)表在《自然-機器智能》上[4]，它將使得靈活模型在其最初的目標之上更具有擴展性，并對生物科學更有用處。這不一定能成為每一個用于神經科學的人工智能工具的解決方案，恩格爾說，但它可以改善靈活模型這一被神經科學家廣泛使用的工具的實際應用。

對恩格爾本人來說，這一方法已經開始帶來對決策的新見解。該團隊正與錢德拉塞卡蘭合作探索他們最初的問題：什么樣的模型能最好地描述決策過程中的神經活動？到目前為止，他們所看到的既不是“上升”也不是“跳躍”。他們的發(fā)現(xiàn)會解決這個爭論嗎？抑或開啟下一回合的爭論？但愿我們很快就會知道。

參考文獻

[1] Genkin, M. & Engel, T.A. Moving beyond generalization to accurate interpretation of flexible models. Nature Machine Intelligence 2, 674-683 (2020).

[2] Chandrasekaran, C., et al. Brittleness in model selection analysis of single neuron firing rates. BioRxiv (2018). Retrieved from DOI:10.1101/430710.

[3] Latimer, K.W., Yates, J.L., Meister, M.L.R., Huk, A.C., & Pillow, J.W. Single-trial spike trains in parietal cortex reveal discrete steps during decision-making. Science 349, 184-187 (2015).

[4] Genkin, Mikhail, and Tatiana A. Engel. "Moving beyond generalization to accurate interpretation of flexible models." Nature Machine Intelligence 2.11 (2020): 674-683.

原文：https://nautil.us/ai-is-helping-scientists-explain-the-brain-14073/

本文來自微信公眾號“神經現(xiàn)實”，歡迎關注。

計算神經科學第三季讀書會

從單個神經元的放電到全腦范圍的意識涌現(xiàn)，理解智能的本質與演化始終是一個關于尺度的問題。更值得深思的是，無論是微觀的突觸可塑性、介觀的皮層模塊自組織，還是宏觀的全局信息廣播，不同尺度的動力學過程都在共同塑造著認知與意識。這說明，對心智的研究從最初就必須直面一個核心挑戰(zhàn)：局部的神經活動如何整合為統(tǒng)一的體驗？局域的網絡連接又如何支撐靈活的智能行為？

繼「」與「」讀書會后，集智俱樂部聯(lián)合來自數(shù)學、物理學、生物學、神經科學和計算機的一線研究者共同發(fā)起，跨越微觀、介觀與宏觀的視角，探索意識與智能的跨尺度計算、演化與涌現(xiàn)。重點探討物理規(guī)律與人工智能如何幫助我們認識神經動力學，以及神經活動跨尺度的計算與演化如何構建微觀與宏觀、結構與功能之間的橋梁。

詳情請見：

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.