對談嘉賓

Ann Kennedy

斯克里普斯研究所的副教授

肯尼迪實(shí)驗(yàn)室研究塑造動物對不同競爭需求反應(yīng)的神經(jīng)機(jī)制。為了生存和繁殖，動物必須平衡何時以及如何對可能引發(fā)沖突行為的條件做出反應(yīng)——例如，在覓食的同時避免捕食者。過去的研究表明，一類稱為神經(jīng)肽的分子在大腦中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用，改變控制動物行為的神經(jīng)回路的活動。例如，最近的研究確定了某些神經(jīng)肽的表達(dá)會改變社會隔離后的攻擊性，或在饑餓時抑制疼痛，使動物即使在受傷時也能覓食。通過運(yùn)用計算神經(jīng)科學(xué)、統(tǒng)計分析以及神經(jīng)回路建模等一系列技術(shù)，我將確定神經(jīng)肽如何改變神經(jīng)群體的活動，以允許攻擊性、覓食和傷口護(hù)理等生存行為具有靈活性和狀態(tài)依賴性表達(dá)。這項(xiàng)工作將揭示動物如何做出平衡競爭需求的決策，這種認(rèn)知處理過程在某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病中可能會受損。

主持人

Paul Middlebrooks

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的特聘助理研究員

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的特聘助理研究員，同時是播客“Brain Inspired”的主持人。他主要研究運(yùn)動皮層和基底神經(jīng)節(jié)神經(jīng)群體活動如何在自由行為的小鼠中支持自然行為，致力于揭示神經(jīng)活動與復(fù)雜行為之間的關(guān)系。

目錄：

01 一位理論神經(jīng)科學(xué)家的研究緣起

02 從演化視角看神經(jīng)系統(tǒng)：內(nèi)源活動與節(jié)律的重要性

03 神經(jīng)調(diào)控的“旋鈕”：肽類物質(zhì)如何塑造行為狀態(tài)

04 量化行為與理論前沿：從基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集到行為預(yù)測

05 未來的挑戰(zhàn)與對年輕學(xué)者的建議

探索生命本能：

一位理論神經(jīng)科學(xué)家的研究緣起

保羅：今天的嘉賓是安·肯尼迪（Ann Kennedy），她是斯克里普斯研究所的副教授，也是理論神經(jīng)科學(xué)與行為實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。她的核心研究方向之一，是探索諸如生存、威脅反應(yīng)、動機(jī)、疼痛等對生命至關(guān)重要的過程，是如何通過下丘腦這類皮層下腦區(qū)進(jìn)行調(diào)控的。

她也關(guān)注這些生命過程背后的時間尺度，這引導(dǎo)她去思考某些蛋白質(zhì)（比如：神經(jīng)肽）的表達(dá)如何影響全腦的神經(jīng)活動，從而使我們在面臨威脅、疼痛等不同情境時能做出恰當(dāng)反應(yīng)。在接下來的對話中，你會聽到我們討論為什么這在理論神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域還是一片藍(lán)海。相比之下，理論方法長期以來更常被用于研究大腦皮層的熱門區(qū)域，而在神經(jīng)計算方面，大家的目光過去幾乎只盯著神經(jīng)元放電或動作電位，仿佛那是唯一的解法。安倡導(dǎo)結(jié)合自上而下與自下而上兩種理論研究路徑。

此外，我們還討論了她和團(tuán)隊(duì)在Kaggle平臺上發(fā)起的一項(xiàng)競賽，旨在為生物體的自動化行為標(biāo)注建立基準(zhǔn)；項(xiàng)目的目標(biāo)在于，讓使用不同記錄設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室都能生成一致的行為標(biāo)簽，以此打造一個通用工具供不同研究者使用，并將數(shù)據(jù)聚合為更龐大、更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)集。

安，幾個月前在佐治亞理工學(xué)院（Georgia Tech）聽了你的演講，我記得你一開場就說，在一個大家都在聊腦機(jī)接口、神經(jīng)調(diào)控的會議上，你感到自己有些格格不入，為什么你會有這種感覺呢？

安：因?yàn)檫@確實(shí)不是我們實(shí)驗(yàn)室的核心研究方向。組織者里有幾位是我的朋友，但我感覺他們的研究更側(cè)重于治療癱瘓或人類疾病這類實(shí)際應(yīng)用，而我并不是做這個的。那個領(lǐng)域非常吸引人，只是大家的學(xué)術(shù)背景和具體目標(biāo)不同。不過，我們之間或許有共同的思考脈絡(luò)：我們都關(guān)心大腦如何自我調(diào)節(jié)，而作為設(shè)備開發(fā)者，他們思考的是如何從外部去調(diào)節(jié)大腦。

保羅：這很有意思，我們稍后再深入聊聊。不過我之前有點(diǎn)驚訝，因?yàn)槟闼坪鯇Α吧^程”表現(xiàn)出興趣，這與當(dāng)下神經(jīng)科學(xué)主流的那種計算視角幾乎是截然相反的。我當(dāng)時就在想，我是不是理解錯了？你是真的關(guān)注生命過程本身，還是想從系統(tǒng)視角去研究不同層級的認(rèn)知功能？

安：我覺得理論研究的一個好處，就是你能觸及很多不同的主題，我確實(shí)關(guān)注生命過程。我做研究的一個初衷，就是去尋找理論神經(jīng)科學(xué)里那些“少有人走的路”。比如皮層下結(jié)構(gòu)，我們對這些腦區(qū)的建模程度，遠(yuǎn)不如像控制運(yùn)動、處理感覺的皮層過程那么深入。正是這種研究上的空白把我引向了生命過程的研究，具體來說，就是生存行為，大腦如何根據(jù)我們的內(nèi)在需求來調(diào)節(jié)外在行為。

我最初進(jìn)入這個領(lǐng)域，是因?yàn)楦杏X理論學(xué)家們對它的探索還不夠深入，但后來我發(fā)現(xiàn)，其實(shí)思考這些問題的人并不少。只不過他們不一定是系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)家，而且也是直到最近，那些負(fù)責(zé)生存行為、維持我們生命的大腦區(qū)域，才真正能夠用系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的工具進(jìn)行研究，比如達(dá)到單細(xì)胞分辨率的記錄技術(shù)，以及刺激和操控手段。

深入這個皮層下的研究領(lǐng)域后，我意識到，理論學(xué)家在這里大有可為。我們既可以將那些從行為出發(fā)、研究本能與行為的傳統(tǒng)模型和思路，與現(xiàn)代系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的方法聯(lián)系起來，也能為此做出實(shí)實(shí)在在的貢獻(xiàn)。

保羅：哎，你把我要說的梗給搶了。我本來想開個玩笑說，我學(xué)了這么多年神經(jīng)科學(xué)，得出的結(jié)論是：只有大腦皮層是有意思的，其他部分都無聊透頂，是吧？

安：沒錯，那就是個裝飾品，純粹是為了保護(hù)中間核心部分的硬殼而已。開玩笑的。

保羅：你確實(shí)說過，你對大腦中負(fù)責(zé)生存和動機(jī)的區(qū)域更感興趣，但皮層其實(shí)也參與這些過程。只不過傳統(tǒng)研究方式可能不那么側(cè)重這方面。

安：確實(shí)如此。皮層是與這些深層的皮層下結(jié)構(gòu)共同演化的，它們之間會相互作用，皮層為下層結(jié)構(gòu)提供信息，也大大豐富了它們的功能。不過話說回來，即使沒有皮層，生物體也能完成很多基本功能。我特別喜歡提的一個研究，是我在加州理工學(xué)院做博士后時，馬克斯·邁斯特（Markus Meister）實(shí)驗(yàn)室里一位研究生朋友做的工作。

他們找到了一種特殊的小鼠品系，其驅(qū)動基因（driver line）能在所有最終發(fā)育成皮層和海馬體細(xì)胞的神經(jīng)祖細(xì)胞（neural progenitors）中表達(dá)。這樣，研究人員就能在這些祖細(xì)胞里表達(dá)一種毒素，從而在大腦發(fā)育過程中完全移除皮層和海馬體。結(jié)果，這些小鼠看起來基本正常，只是腦袋顯得小一點(diǎn)。它們會更容易焦慮、更具攻擊性，但許多小鼠做的事，比如理毛、交配、打斗、逃避威脅，它們都能完成，盡管它們完全缺失了這些（演化上）較晚出現(xiàn)的大腦結(jié)構(gòu)。

它們雖然學(xué)習(xí)能力不怎么樣，但生存繁衍所需的核心能力都具備。因?yàn)檫@些行為是我們最古老的行為本能，“操作手冊”就編碼在這些皮層下結(jié)構(gòu)里。皮層的作用更像是一個“優(yōu)化升級包”，它為這些本能行為增添了可塑性和對情境的依賴，但生存的基本盤，靠的還是那些底層結(jié)構(gòu)。

保羅：我正想說，皮層下結(jié)構(gòu)通常被我們認(rèn)為是這些更偏向本能的行為的根源。說到“先天本能”，人們通常會想到那些與生俱來、像預(yù)設(shè)程序一樣的東西。然而，也有一些研究學(xué)習(xí)機(jī)制的學(xué)者聲稱，這些所謂的“先天”能力其實(shí)也是通過學(xué)習(xí)獲得的，也就是說，皮層下結(jié)構(gòu)同樣具備學(xué)習(xí)能力。

安：確實(shí)是這樣。我很喜歡用“渠化”（canalisation）這個概念來描述：大腦的構(gòu)造方式，決定了它天生傾向于產(chǎn)生某些特定的輸出。但這并不意味著不需要學(xué)習(xí)。它仍然需要通過經(jīng)驗(yàn)和活動來微調(diào)神經(jīng)連接，這種學(xué)習(xí)不一定是像“我教你吃飯或打架”那種監(jiān)督學(xué)習(xí)，而是一種基于經(jīng)驗(yàn)的自我構(gòu)建。最終，不同個體的這些結(jié)構(gòu)都會收斂到相同的連接模式上。不是說細(xì)胞層面完全一樣，而是表現(xiàn)出相同的行為庫、相同的驅(qū)動力，以及跨物種間相似的感覺運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)制。

保羅：從動力學(xué)系統(tǒng)的視角來看，這就像是深度吸引子（deep attractors）。

安：沒錯。這個理念源自沃丁頓（Waddington）的“表型景觀”理論。有趣的是，他作為生物學(xué)家而非數(shù)學(xué)家，在1957年出版的《基因的策略》（The Strategy of the Genes）一書中，將這些吸引域稱為“發(fā)育路徑”，而不是吸引子。他用一種非常直觀的方式描述：基因推動細(xì)胞沿著特定的發(fā)育軌跡行進(jìn)，即使你干擾它們使其偏離軌跡，它們也能自我修復(fù)并回歸正軌。

這本質(zhì)上就是吸引子概念，只是他當(dāng)時還沒有接觸這套數(shù)學(xué)語言。我認(rèn)為這種思想既存在于細(xì)胞發(fā)育中，也體現(xiàn)在大腦的神經(jīng)連接方式上，神經(jīng)回路具有吸引子狀態(tài)，使得動物先天就傾向于形成特定的行為模式。

保羅：你前期的研究大多集中在皮層領(lǐng)域。我知道拉里·阿博特（Larry Abbott）其實(shí)對各種腦結(jié)構(gòu)都有廣泛研究。

安：我博士階段研究的是電魚（electric fish），在這個領(lǐng)域根本不用擔(dān)心研究成果被人搶先發(fā)表。

保羅：看吧，這就是你后來選擇研究皮層下結(jié)構(gòu)的原因?qū)Π桑恳粭l完美的“防搶發(fā)”職業(yè)規(guī)劃。

安：是的。做電魚研究的時候，你能把所有的文獻(xiàn)都讀完，甚至認(rèn)識這個領(lǐng)域所有的實(shí)驗(yàn)室。后來我也接觸過一點(diǎn)果蠅蘑菇體的工作，但感覺那個領(lǐng)域太擁擠了，太多人扎堆在相同的問題上。直到2011年左右，我在COSIGN會議上聽了戴維·安德森（David Anderson）報告林大宇（Dayu Lin）的工作，他們用光遺傳學(xué)刺激腹內(nèi)側(cè)下丘腦腹外側(cè)區(qū)（VMHvl）神經(jīng)元，成功誘發(fā)了小鼠的攻擊行為。那個研究給我的感覺太震撼了，和當(dāng)時會上其他所有報告都截然不同。

那感覺就像是，你拿著光遺傳學(xué)這把“錘子”精準(zhǔn)敲擊大腦的某個部位，雖然方法看起來很人工，卻能引發(fā)復(fù)雜的、依賴視覺引導(dǎo)的行為。這讓我意識到，當(dāng)時大多數(shù)研究似乎都忽略了大腦最本質(zhì)的一個功能：生成復(fù)雜行為。當(dāng)時我心想，這方面肯定還沒什么人研究，絕對是個好玩又廣闊的處女地。結(jié)果后來發(fā)現(xiàn)，其實(shí)已經(jīng)有很多人在研究這個了。

保羅：是啊，而且估計這個領(lǐng)域已經(jīng)有很多積累了。

安：是的。

保羅：我想問你一件事，因?yàn)槟銓戇^關(guān)于演化、早期神經(jīng)系統(tǒng)甚至前神經(jīng)系統(tǒng)的文章。這種興趣是源于你研究生早期的工作嗎？

安：其實(shí)在我讀研之前，曾短期在一個干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室做過技術(shù)員。那時，我做了大量轉(zhuǎn)錄因子共轉(zhuǎn)染（co-transfection）實(shí)驗(yàn)，觀察單個轉(zhuǎn)錄因子如何影響少突膠質(zhì)祖細(xì)胞（oligodendrocyte progenitor cell）分化相關(guān)基因的表達(dá)。

其實(shí)那段經(jīng)歷挺偶然的。說來可能有點(diǎn)傻，但直到那時候我才真正意識到，原來身體里不同的細(xì)胞會表達(dá)不同的基因，發(fā)育本身就是一個如此奇妙的過程?？梢钥吹?，早在我接觸神經(jīng)科學(xué)之前，就已經(jīng)深深迷上了發(fā)育生物學(xué)，后來又順理成章地轉(zhuǎn)向了演化發(fā)育生物學(xué)（evo-devo），也就是從演化角度來研究發(fā)育機(jī)制。

我雖然沒有真正在那個領(lǐng)域深耕過，但那些領(lǐng)域里思考的核心問題一直讓我著迷：一個完整的生物體是如何從單個細(xì)胞構(gòu)建出來的？新的行為或新的功能是如何演化出來的？演化是如何對身體結(jié)構(gòu)的組成部分進(jìn)行微調(diào)，讓它們隨時間適應(yīng)環(huán)境的？這種機(jī)制，高中時代起就讓我非常著迷。雖然讀研期間它暫時退居次要位置，但它始終是我科研思維中持續(xù)跳動的脈搏。

從演化視角看神經(jīng)系統(tǒng)：

內(nèi)源活動與節(jié)律的重要性

保羅：看來可能是我把順序搞反了。或許我真正該問的是，你后來是怎么從對發(fā)育生物學(xué)的興趣，轉(zhuǎn)向研究自然狀態(tài)下行為的生物體，并采用動力學(xué)系統(tǒng)的框架來理解認(rèn)知機(jī)制的？

安：申請研究生的時候，我也覺得神經(jīng)科學(xué)很酷。我想很多人天生就對大腦的工作原理感到好奇。我當(dāng)時申請學(xué)校，去哥倫比亞大學(xué)面試，原因很簡單，只是一位教授在給我的選校名單里提到了它。面試時，拉里·阿博特（Larry Abbott）和研究生們見面，他向大家展示了后來成為FORCE算法的研究，那是他與戴維·蘇西洛（David Sussillo）合作的工作，通過訓(xùn)練循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（recurrent neural networks）來生成復(fù)雜的行為，也就是復(fù)雜的時間序列。

他當(dāng)時舉的例子是：他們用人體行走的運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，訓(xùn)練模型去復(fù)現(xiàn)那個步行行為。這簡直太令人震撼了，讓我一下子產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣，很想弄明白這背后的原理，想知道分布式的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)究竟是如何完成如此復(fù)雜的事情的。

保羅：我保證后面會聊到你的具體工作。剛才提到的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，本質(zhì)上就是動力系統(tǒng)，因?yàn)樗扔醒h(huán)連接，又有動態(tài)變化，這正是它的計算基礎(chǔ)。無論是像液態(tài)機(jī)（liquid state machine）那樣的模型，還是用FORCE算法來訓(xùn)練RNN，都是如此。

當(dāng)你看到拉里·阿博特展示這些的時候，你有沒有立刻把這種動力系統(tǒng)的視角，與細(xì)胞甚至亞細(xì)胞層面聯(lián)系起來？比如聯(lián)想到皮層下過程？因?yàn)槟愫髞戆l(fā)現(xiàn)，這些腦區(qū)同樣存在著類似的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、形態(tài)和吸引子等等。

安：現(xiàn)在回過頭看確實(shí)是這樣。但在讀研那會兒，完全沒往那兒想。當(dāng)時剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。我做博士后之后，才接觸皮層下結(jié)構(gòu)。

當(dāng)時感覺自己挺懵懂的。我加入安德森實(shí)驗(yàn)室后，光是把VMHvl（腹內(nèi)側(cè)下丘腦腹外側(cè)區(qū)，ventromedial hypothalamus ventrolateral part）這個縮寫搞明白、念準(zhǔn)確，就花了不少時間。我本科時學(xué)過動力系統(tǒng)理論，覺得這是個很酷的應(yīng)用方向，但當(dāng)時理論界的主流觀點(diǎn)是：單個神經(jīng)元的膜時間常數(shù)（membrane time constants）非常短，它們根本不可能完成需要工作記憶、復(fù)雜運(yùn)動控制，或者長時間信息整合的任務(wù)。而循環(huán)計算被認(rèn)為是突破這一限制的途徑。

這個觀點(diǎn)在我剛開始讀研時非常吸引我，頭一兩年，我花了很多時間，基本上就是試圖弄懂循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能做什么以及它是如何工作的。但這些工作與真實(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)系不大，所以我內(nèi)心一直在掙扎：“我現(xiàn)在做的這些，到底真的能告訴我們一些關(guān)于大腦的奧秘，還是僅僅在研究一個既優(yōu)美又易于處理的理想動力系統(tǒng)而已？”

保羅：你當(dāng)時嘗試的，是不是就像用井字棋（tic-tac-toe）那樣簡單的問題，或者某種二元的開關(guān)任務(wù)，來訓(xùn)練模型完成某種近似應(yīng)激反應(yīng)的工作？

安：對，那是一種高度簡化的模型。我當(dāng)時甚至算不上是在訓(xùn)練模型，更像是在研究它們的記憶容量。比如，這些網(wǎng)絡(luò)能回溯重構(gòu)多久以前的輸入信息？幾年后我終于想明白了：雖然確實(shí)可以通過循環(huán)結(jié)構(gòu)，或者說發(fā)放率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（firing rate neural network），來獲得長時間尺度，但我認(rèn)為生物學(xué)系統(tǒng)很可能一直都有它自己的解決辦法。

大多數(shù)時候，生物系統(tǒng)能通過多種途徑獲取不同的時間尺度，比如分子信號過程自身的時間常數(shù)、血液中循環(huán)的激素、基因表達(dá)的時間尺度等等。所以回過頭看，當(dāng)時我們專注于研究儲備池計算（reservoir computing），但或許正因?yàn)檫^于關(guān)注這個迷人的理論，我們反而忽略了生物學(xué)實(shí)際解決問題的真正機(jī)制。

保羅：這種模型雖然很酷，但會不會同時也顯得有些局限和脆弱？因?yàn)槟惚仨毎褏?shù)調(diào)得恰到好處，它才能正常工作。不過我的理解是，儲備池計算其實(shí)擁有相當(dāng)高的表達(dá)能力，而這正是它的核心價值所在。它的做法是隨機(jī)分配所有參數(shù)之間的權(quán)重，只要儲備單元（units）數(shù)量足夠多，你就能通過一個簡單的線性讀出層（linear readout）來訓(xùn)練它完成各種各樣的任務(wù)。

然而，人們也確實(shí)要花大量時間訓(xùn)練這些模型，試圖找出那些有效的參數(shù)組合。它們到底是本身表達(dá)能力就不強(qiáng)，還是說雖然潛力很大，但必須以一種非常特定的方式設(shè)置才行，以至于稍作調(diào)整就會失效？

安：我們現(xiàn)在已經(jīng)能更穩(wěn)定地訓(xùn)練這類模型了。我組里有一位博士后經(jīng)常做這方面的工作，他此刻就在將一些循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）模型擬合到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上。只要采用合適的約束條件和一些技巧，就能超越那種“小心翼翼調(diào)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的瑣碎感覺。過去10到15年里，這類模型擬合的方法確實(shí)取得了巨大的進(jìn)步。

當(dāng)時最困擾我的一點(diǎn)是，我研究的并不是真實(shí)的大腦，而是一個玩具般的模型系統(tǒng)。這其實(shí)是每個研究生在某個階段都必須想清楚的問題，你真正關(guān)心的是什么？是方法本身？是理解背后的數(shù)學(xué)和動力學(xué)？還是機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)？對我而言，真正讓我感到對領(lǐng)域有所貢獻(xiàn)的，是能夠?qū)⒀芯恐富厣飳W(xué)本身，指向一個我正幫助理解的真實(shí)生物系統(tǒng)。

保羅：你提到了機(jī)器學(xué)習(xí)。聽起來你更關(guān)注真實(shí)的生物大腦及其運(yùn)作過程。那你對眼下這股神經(jīng)AI（neuro-AI）的熱潮怎么看？你覺得自己處在這個領(lǐng)域的什么位置？

安：天哪。每次聽到這個詞，我都得停下來想一想它的定義到底是什么。

保羅：確實(shí)也沒個準(zhǔn)數(shù)，但啥東西不都這樣嘛。

安：具體指什么？是指通過探索大腦中更多的計算原理，來改進(jìn)人工智能這個方向嗎？

保羅：既包括這個，也包括反過來的方向吧？就是那個AI與神經(jīng)科學(xué)之間美妙的、良性的循環(huán)。

安：我覺得大多數(shù)自稱研究神經(jīng)AI的人，并不僅僅是指“我用AI工具來分析我的神經(jīng)數(shù)據(jù)”。更重要的層面是，通過研究大腦能幫助我們構(gòu)建更好的人工網(wǎng)絡(luò)。

保羅：確實(shí)是這樣。

安：我認(rèn)為，當(dāng)前AI領(lǐng)域使用的網(wǎng)絡(luò)家族（family of networks）和方法，與大腦解決問題的方式存在相當(dāng)大的差異。但我們可以提出一個有力的論點(diǎn)：嘗試?yán)斫獯竽X的運(yùn)作機(jī)制是很有價值的，這不僅是為了在神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障、功能失常時能夠進(jìn)行修復(fù)，更是為了能將那些原理應(yīng)用到我們自己的計算工具中。

神經(jīng)系統(tǒng)具備一種局部處理事務(wù)的能力，而不是依賴于中心化的、自上而下的層級控制。我覺得這種特性非常有趣，而我們現(xiàn)在還不太知道如何在機(jī)器學(xué)習(xí)和AI系統(tǒng)中真正利用好它。另外，顯然還有一個能效方面的論據(jù)：理解大腦是如何進(jìn)行計算的，以及這種方式與我們在GPU上運(yùn)行的大語言模型的計算方式有何不同，這本身就很有意義。

我認(rèn)為，把研究大腦作為推動人工系統(tǒng)工程進(jìn)步的一種手段，是完全站得住腳的。至少我自己一直在嘗試闡述這個觀點(diǎn)。對我個人而言，理解大腦本身就是終極目標(biāo)。我認(rèn)為，大腦一定在使用一些現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)所不具備的“技巧”，無論這些技巧是否僅僅源于大腦所使用的生物基質(zhì)（substrate）特性。比如神經(jīng)元通過大量具有固有時間常數(shù)的不同信號分子進(jìn)行通信，這些機(jī)制或許是我們無法在計算機(jī)上真正復(fù)現(xiàn)的。但我覺得，理解其原理本身就極具價值。

保羅：你是認(rèn)真的嗎？敢不敢為此下注？

安：哈，算了。我可不賭。

保羅：那我下次再問你，等你再多做點(diǎn)研究之后。另一方面，動力系統(tǒng)理論當(dāng)然不是憑空出現(xiàn)的，不過你剛才提到了戴維·蘇西洛，他和拉里·阿博特合作研究儲備池計算，以及你之前提到的FORCE算法。他與MONTE的建模工作，就是早期的典范之一。

通過研究機(jī)器學(xué)習(xí)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural networks）所得出的原理，確實(shí)可以轉(zhuǎn)化過來幫助我們理解大腦。比如，那個經(jīng)過訓(xùn)練、能執(zhí)行簡單情境決策任務(wù)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的動力學(xué)特性。通過分析人工網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)，我們確實(shí)有可能窺見大腦的運(yùn)作機(jī)制。盡管大腦的實(shí)際運(yùn)作涉及各種不同時間尺度的信號傳遞，使用著各種的分子和尺度等等。但我想，你一定很看重這種研究路徑的價值。

安：是的。先訓(xùn)練一個網(wǎng)絡(luò)去完成某項(xiàng)任務(wù)，然后觀察它是如何學(xué)會解決這個任務(wù)的，再嘗試用這個學(xué)習(xí)過程作為解讀真實(shí)神經(jīng)活動的一個參照框架或視角。

這正是我們解讀神經(jīng)活動的核心思路，比如，當(dāng)我們記錄到動物在執(zhí)行某種復(fù)雜行為時的神經(jīng)元信號后，總需要一套方法來理解。動力學(xué)系統(tǒng)框架是一個非常強(qiáng)大的工具，它幫助我們直面一個現(xiàn)實(shí)：許多我們手工構(gòu)建的神經(jīng)解讀方法，比如調(diào)諧曲線（tuning curves），往往只能捕捉到神經(jīng)元放電頻率變異中很小的一部分。我完全同意，動力學(xué)系統(tǒng)框架是理解神經(jīng)數(shù)據(jù)的一種高效途徑。

我不確定這種方法的潛力邊界在哪里，你未必能在人工網(wǎng)絡(luò)中找到與大腦完全相同的解決方案。這可以作為一種嘗試，有時能成功，有時會失敗。失敗的原因可能在于，你對任務(wù)的表征方式不夠準(zhǔn)確，也可能在于信息傳入網(wǎng)絡(luò)的方式，或者在抵達(dá)你試圖理解的那個計算環(huán)節(jié)之前，其處理過程就存在偏差。

以皮層下結(jié)構(gòu)的研究為例，我們的模型在很大程度上是抽象化的，剝離了動物的視覺場（visual field）和豐富的感官環(huán)境。我們更多是在處理那些難以預(yù)測的、緩慢變化的動機(jī)狀態(tài)。如果我用一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練一個虛擬智能體，讓它學(xué)會在夜間有捕食者出現(xiàn)時，做出覓食或攻擊的決策，需要花費(fèi)很大功夫，才能讓這個智能體在動力學(xué)上達(dá)到一種可以映射到真實(shí)大腦結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

保羅：你剛才說皮層下結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性比較慢，但在應(yīng)對威脅時，反應(yīng)必須得非常快才行吧？比如逃跑反應(yīng)的啟動是一瞬間的事，而這個功能同樣是由皮層下結(jié)構(gòu)控制的，對嗎？

安：對。具體到應(yīng)對威脅，你不僅需要能快速反應(yīng)，還需要反應(yīng)的持續(xù)性（persistence）。比如你看到捕食者，逃跑后，即使暫時看不見它了，你也需要記住剛才看到過捕食者，并保持隱匿狀態(tài)一段時間。所以關(guān)鍵不一定在于慢，而在于這些內(nèi)部狀態(tài)的動力學(xué)所具有的持續(xù)性，這在很多情況下都至關(guān)重要。

保羅：好吧，那我們回溯一下，或者說回到大腦出現(xiàn)之前的階段，這是你近期涉及的研究內(nèi)容。然后我們可以逐步討論大腦的早期演化形態(tài)，也就是皮層下過程（subcortical processes），這些結(jié)構(gòu)后來逐漸變得更為精細(xì)，再之后我們才演化出了大腦皮層。你把它稱為什么來著？額外的裝備？外部外殼？

安：是優(yōu)化產(chǎn)物（refinement）。

保羅：就像龜殼一樣，可能主要是起保護(hù)作用的。

安：沒錯，正是如此。而且很可能并非是必需的。

保羅：是的。我想引用你寫的那篇關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)演化的論文里的一句話，論文標(biāo)題是《早期神經(jīng)系統(tǒng)演化中的神經(jīng)活動動力學(xué)》（Dynamics of neural activity in early nervous system evolution），其中提到：“許多我們認(rèn)為是神經(jīng)特有的屬性，其實(shí)在神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)之前就已存在?！?這正是我想探討的你思維的源頭，你是從系統(tǒng)動力學(xué)的層面來審視一切的?，F(xiàn)在很多進(jìn)入理論神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的人，都信奉一種“群體學(xué)說”（population doctrine）。

我們已經(jīng)超越了單神經(jīng)元調(diào)諧曲線，研究變得越來越抽象。雖然很多人不愿去研究離子通道（ion channels）和神經(jīng)化學(xué)信號（neurochemical signaling），但你卻重新回到了那個層面，并且是從系統(tǒng)的視角去研究。我想這就是我早先試圖表達(dá)的意思，你的研究始終貫穿著這條主線。

安：是的。確實(shí)有越來越多的人開始關(guān)注神經(jīng)計算中這些分子和皮層下層面的研究，雖然目前還是少數(shù)。我那篇論文的一個重要靈感來源是羅曼·布雷特（Romain Brette）一篇關(guān)于草履蟲行為模式的精彩論文，他稱之為“游動的神經(jīng)元”。草履蟲擁有感覺系統(tǒng)和運(yùn)動效應(yīng)器，能表現(xiàn)出復(fù)雜的行為、探索行為，撞到東西時會調(diào)整自己的路線。

所有這些功能都由一個單細(xì)胞完成。在單個細(xì)胞內(nèi)部，感受器和效應(yīng)器之間通過化學(xué)信號進(jìn)行通信，而這些細(xì)胞內(nèi)的組成部分，其實(shí)與更大型生物體內(nèi)的組成部分在本質(zhì)上是相同的。運(yùn)動效應(yīng)器雖然發(fā)生了變化，我們從鞭毛演化出了收縮組織（contractile tissue），但感覺分子，比如觸覺傳感器和光感受器，這些其實(shí)已經(jīng)存在億萬年了。

許多相同的通道和分子在神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)之前就已經(jīng)存在，許多離子通道那時就有了。機(jī)械感受器和光感受器在不同生物間也非常相似。對了，通道視紫紅質(zhì)不就是從藍(lán)藻來的嗎？

我認(rèn)為負(fù)責(zé)機(jī)械感覺的Piezo受體，在植物和單細(xì)胞生物里都有發(fā)現(xiàn)。這些基礎(chǔ)組件早就存在了，因?yàn)樵诒簧窠?jīng)元利用之前，它們已經(jīng)承擔(dān)著重要的功能。

保羅：確實(shí)，演化過程又不是像突然宣布說：“哎，我們現(xiàn)在需要一個神經(jīng)系統(tǒng)了，得趕緊發(fā)明點(diǎn)新零件才行?！?/p>

安：是的。這些原本存在于細(xì)胞、存在于單細(xì)胞生物中的部件，在生物演化出神經(jīng)系統(tǒng)時，就被“征用”了。我猜，是在不同的結(jié)構(gòu)里實(shí)現(xiàn)了類似的功能。有一批學(xué)者專門思考這個問題：從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物的演化過程到底是怎樣的？細(xì)胞如何從彼此完全相同、只是聚集成群的狀態(tài)，走向更精細(xì)的功能特化？而從特化開始，又如何一步步發(fā)展出器官、神經(jīng)系統(tǒng)和收縮組織？

這真是個非常迷人的領(lǐng)域，而且我們現(xiàn)在對這個過程可能是什么樣子，已經(jīng)有了相當(dāng)不錯的理解。關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)的起源有幾種不同的理論：它最初究竟是為了控制纖毛運(yùn)動，還是控制收縮組織？或者，它主要的功能是分泌信號和調(diào)節(jié)其他細(xì)胞的活動？

保羅：這是兩種可能的路徑，但你在論文中還闡述了第三種，即一種自發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)源活動，其導(dǎo)向是維持內(nèi)部狀態(tài)的穩(wěn)定。我這樣理解對嗎？

安：對。這是我們那篇論文著力強(qiáng)調(diào)的一個觀點(diǎn)，我們是通過水母這個模型來研究的，發(fā)現(xiàn)它們就具有非常豐富的內(nèi)源活動。內(nèi)源性周期活動其實(shí)很容易從很多動力學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生。你所需要的，就是在相互作用的組件之間建立某種反饋耦合（feedback coupling），并且這些組件在時間尺度上要有所分離，比如一個快，一個慢。

保羅：那是否還需要一個是興奮性的，另一個是抑制性的呢？

安：我認(rèn)為即使是一個純粹的抑制性系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)。我想幽門節(jié)律（pyloric rhythm）就是這樣一個例子。

保羅：我猜也是，看來關(guān)鍵還是取決于信號傳遞的時間尺度特性。

安：沒錯。相互作用組件之間存在時間尺度差異，這一點(diǎn)最為關(guān)鍵。這種特性不僅很容易實(shí)現(xiàn)，而且可能很有用。周期性活動遍布身體的許多部位。拿水母來說，它參與吞咽和消化，它還參與游動，還包括晝夜節(jié)律，可能還包括激素釋放的周期性信號，以及像血管收縮這樣的信號。胰島素釋放細(xì)胞的陣發(fā)性分泌就是一個有趣的例子，許多系統(tǒng)內(nèi)部確實(shí)都存在這類振蕩器（oscillators）。

支持這一觀點(diǎn)的一個重要論據(jù)是：當(dāng)你需要將一個信號從一個區(qū)域傳遞到另一個區(qū)域時，你可以采用幅度調(diào)制（amplitude modulation）的方式，也就是向下游受體發(fā)送一個固定濃度的配體（ligand）；或者你也可以采用頻率調(diào)制（frequency-modulating）的方式。

如果你采用幅度調(diào)制，而信號中又存在任何噪聲，那么你根本無法將噪聲與你試圖傳遞的幅度信息區(qū)分開來。但如果你用脈沖來通信，那么即使上面疊加了一點(diǎn)白噪聲，也不會干擾你對這些脈沖頻率的檢測。振蕩器很可能是早期神經(jīng)系統(tǒng)的一個特征，并且對多種生物功能都非常有用。

保羅：人們總在討論大腦的用途：控制運(yùn)動、感知環(huán)境、維持生存、調(diào)控發(fā)育。

安：比如控制激素釋放的時機(jī)。

保羅：你指的是振蕩本身的作用對嗎？

安：不，我指的是像變態(tài)發(fā)育（metamorphosis）這樣的過程，比如決定何時化蛹并羽化成成蟲。這些關(guān)鍵的生命事件都是由神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控的。還有青春期的啟動，也受神經(jīng)系統(tǒng)控制。這說明大腦的功能遠(yuǎn)不止支配行為。

保羅：確實(shí)。這正好反駁了“大腦僅用于行為”的觀點(diǎn)。雖然這些目前還只是理論推測，但確實(shí)可以提出一個有力的論點(diǎn)：大腦的核心功能在于調(diào)控發(fā)育、維持內(nèi)環(huán)境（internal milieu）以及管理信號傳遞。而你指出的關(guān)鍵在于：振蕩現(xiàn)象很容易產(chǎn)生，并且是傳遞這類信息的絕佳方式。單從這一點(diǎn)來看，振蕩就非常重要，內(nèi)源性自發(fā)活動在神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)之前就已然舉足輕重。

如今，像厄爾·米勒（Earl Miller）這樣的學(xué)者提出了“認(rèn)知即節(jié)律”的觀點(diǎn)。他認(rèn)為一切認(rèn)知活動都構(gòu)建在振蕩之上，是自下而上貫穿始終的，對吧？最近有一篇研究皮層網(wǎng)絡(luò)的論文，我不確定是否也包含了皮層下結(jié)構(gòu)（subcortical stuff），他們利用功能性磁共振成像（fMRI）發(fā)現(xiàn)，不同子網(wǎng)絡(luò)之間存在這種轉(zhuǎn)換，而且這種轉(zhuǎn)換本身就是節(jié)律性的、有節(jié)奏的。它是按照周期、通過振蕩的方式，流經(jīng)這些共同的過渡狀態(tài)。所以，振蕩是那個從底層一直貫穿到頂層的機(jī)制嗎？認(rèn)知本質(zhì)上就是一種節(jié)律？這是你認(rèn)同的觀點(diǎn)嗎？

安：是的。不過我從未真正深入研究過人類數(shù)據(jù)或脊椎動物數(shù)據(jù)中的振蕩現(xiàn)象。我經(jīng)常困惑，如何將那些從腦電圖（EEG）信號中提取出的那些振蕩，實(shí)實(shí)在在地對應(yīng)到神經(jīng)元的具體活動上。但我認(rèn)為，神經(jīng)信號的頻率維度非常值得深入思考。舉個例子，我最近剛和林倩（Lin Qian）聊過她對血清素能信號（serotonergic signaling）的成像工作。

她研發(fā)了用于檢測細(xì)胞外神經(jīng)調(diào)節(jié)（extracellular neuromodulatory）和肽能信號（peptidergic signals）的光學(xué)傳感器，并以此觀察血清素信號的不同頻率特征。結(jié)果清晰顯示出，血清素存在高頻波動和濃度變化，同時也存在中低頻的振蕩。血清素的受體家族中，其中的一些受體對其相應(yīng)確實(shí)具有低通濾波響應(yīng)特性（low-pass filtering）。它們需要與血清素結(jié)合足夠長的一段時間，才能真正有效地觸發(fā)下游的信號傳導(dǎo)級聯(lián)。

這正是我和我的博士后目前正探討的問題：頻率空間中的信號分離，是不是一個我們應(yīng)該重視的方向？它可能會影響不同腦區(qū)之間的信息交流。甚至，它可能也會影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育。如果你有一套在特定時間尺度上運(yùn)作的可塑性規(guī)則，那這些規(guī)則就會允許特定頻率范圍內(nèi)的活動去塑造突觸權(quán)重，同時過濾掉其他頻率范圍的活動。

我不確定不同的腦區(qū)是否會使用特定的頻帶（frequency bands）來相互通信，這超出了我的研究領(lǐng)域。但神經(jīng)活動所具有的這個時間維度組件，確實(shí)是一個需要時刻牢記在心的重要方面。

保羅：時間維度（temporal aspect）確實(shí)是所有AI系統(tǒng)一個明顯的缺失，AI系統(tǒng)里根本沒有真正的時間機(jī)制。是吧？

安：沒錯。除非是做機(jī)器人學(xué)（robotics），需要閉環(huán)控制（closed-loop control），但這類需求在我們通常討論的那些AI系統(tǒng)里往往不在考慮范圍之內(nèi)。

神經(jīng)調(diào)控的“旋鈕”：

肽類物質(zhì)如何塑造行為狀態(tài)

保羅：但在生物系統(tǒng)中，時序控制是貫穿始終的，從最底層到最頂層都至關(guān)重要。這太關(guān)鍵了。就拿發(fā)育來說，還有戰(zhàn)逃反應(yīng)（fight or flight）的時機(jī)掌控，一切都關(guān)乎時序。我最近對這個問題特別著迷，說得有點(diǎn)多了。但我總是忍不住想，人工系統(tǒng)和自然生物系統(tǒng)之間最根本的區(qū)別到底是什么？哪些差異才是真正起決定性作用的？

廣義上的動力學(xué)是一個方面。雖然像循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這樣的人工智能系統(tǒng)也有動力學(xué)特性，但我所說的動力學(xué)，更側(cè)重于指事物內(nèi)在的時間節(jié)律。生物過程對時間因素都異常敏感。無論是否表現(xiàn)為振蕩，一切活動都高度依賴于精密的時序控制。

安：是的，時序特性是生物計算中不可分割的一部分，這與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的計算方式完全不同。確實(shí)如此。之前有一段時間，異步計算（asynchronous computing）的概念很受關(guān)注，也就是沒有統(tǒng)一時鐘信號的計算，所有組件都在自己的時間框架下運(yùn)行，不需要中央控制器來追蹤計算進(jìn)度。大家都在探索如何為這種異步系統(tǒng)設(shè)計有效的算法。

我認(rèn)為，這恰恰是大腦必須面對的一個問題：所有計算都是在局部完成的。你并不總是需要全局的教學(xué)信號來指導(dǎo)學(xué)習(xí)規(guī)則，也沒有全局時鐘來決定何時從一個腦區(qū)查詢信息，或者何時將信息傳遞給另一個腦區(qū)。時間是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具身性（embodiment）的一部分。

另一個我認(rèn)為對生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能至關(guān)重要、并且我自己非常感興趣的方面，就是神經(jīng)元之間信號分子和信號通路的多樣性。

保羅：時間特性是一個方面。你在關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)演化的那篇論文中強(qiáng)調(diào)的另一點(diǎn)，是自發(fā)活動的內(nèi)源性——無論是否表現(xiàn)為振蕩或特定時序，它都像是從系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生的。我想特別指出這一點(diǎn)，你可以展開講講嗎？

安：這是針對神經(jīng)系統(tǒng)演化領(lǐng)域的回應(yīng)。傳統(tǒng)上，當(dāng)這個領(lǐng)域的研究思考行為時，大多采用刺激-反應(yīng)（stimulus-response）框架，而不是將神經(jīng)系統(tǒng)視為具有持續(xù)動態(tài)活動、更像一個連續(xù)控制問題（continuous control problem）的實(shí)體。我們試圖對這一部分研究提出新的視角：神經(jīng)系統(tǒng)的活動并不僅僅是“遇到刺激就做出反應(yīng)”，而是對機(jī)體持續(xù)不斷的作用，這種作用在生物體內(nèi)始終存在。因此，在我們推演早期神經(jīng)系統(tǒng)可能是什么樣子的時候，必須將這一點(diǎn)考慮進(jìn)去。

保羅：你提到了組件的異質(zhì)性（heterogeneity）。在我的小型復(fù)雜性討論組里，我們常提到那篇著名的《多者異也》（More is different）論文。不過我得小心措辭，因?yàn)槟愕臉?biāo)志性觀點(diǎn)是“異則多”（different is more）。雖然你看起來對這個措辭不是特別滿意，但它的宣傳效果不錯，對吧？

安：確實(shí)。那是我寫作時突然冒出來的想法。這可以追溯到我最初學(xué)習(xí)儲備池計算時的那種不滿，當(dāng)時我們似乎只依賴放電頻率來解釋一切，但這感覺完全不像生物系統(tǒng)真正的運(yùn)作方式。記得在哥大讀博初期，我曾向一些實(shí)驗(yàn)神經(jīng)科學(xué)家請教：神經(jīng)調(diào)節(jié)劑（neuromodulators）到底是什么？它們有什么功能？大概有多少種？

保羅：他們怎么回答的？是把問題拔高了嗎？還是說他們直接避而不談？

安：那個年代，這完全是一個巨大的未知領(lǐng)域。只知道有這類物質(zhì)存在，但對它們的具體功能一無所知。

保羅：從我的神經(jīng)科學(xué)研究經(jīng)歷來看，這些物質(zhì)似乎總被視為有些“礙事”。給人的感覺就像是：“好吧，總有一天我們會研究它們，但眼下最重要的是神經(jīng)元，以及它們放電的頻率。”

安：對，還有放電脈沖（spikes）。我覺得這有點(diǎn)像“醉漢找路燈”的寓言——因?yàn)槟隳軠y量到脈沖，所以就試圖用脈沖來解釋一切，然后就此了事。最近流行構(gòu)建大腦的基礎(chǔ)模型，那種思路就好像是：你只需要記錄下所有脈沖和所有條件，然后就大功告成了。但脈沖只能告訴你“有人在說話”，卻無法告訴你“它們具體在說什么”。

這種觀點(diǎn)是我在做博士后、開始鉆研下丘腦時逐漸形成的，它的運(yùn)作方式跟我從小到大對神經(jīng)元的理解非常不同。相關(guān)文獻(xiàn)讀得越多，我越覺得這里蘊(yùn)藏著巨大的理論探索空間。神經(jīng)元之間的通訊方式如此多樣，你實(shí)際上擁有的不是一個單一的權(quán)重矩陣，而是基于不同通訊渠道的多個矩陣。

神經(jīng)調(diào)節(jié)劑（neuromodulators）和神經(jīng)肽（neuropeptides）在大腦功能中的重要性是顯而易見的。我們發(fā)現(xiàn)它們能產(chǎn)生一些很有趣的效應(yīng)，幾乎像是提供了一種“情境信號”，我們能夠根據(jù)信號分子反映的機(jī)體狀態(tài)，重塑神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)特性，使其執(zhí)行不同的功能。比如說，我最近做了一些關(guān)于神經(jīng)肽Y（neuropeptide Y, NPY）的工作，當(dāng)動物食物受限時，弓狀核（arcuate nucleus）的神經(jīng)元就會釋放這種物質(zhì)。

這些弓狀核神經(jīng)元會向大腦的不同區(qū)域發(fā)出投射，并在食物受限時開始釋放NPY。其中有一條投射路徑到達(dá)內(nèi)側(cè)視前區(qū)（medial preoptic area），它會降低生育能力并延遲青春期的啟動。這就像是說：如果你正在挨餓，那可不是生孩子的好時機(jī)，最好還是再等等。

保羅：你說的這些研究都是在小鼠身上進(jìn)行的嗎？

安：是的。它們的熱量攝入會增加，我記不清是翻倍還是變成三倍了。而在哺乳期，為了產(chǎn)奶，它們會流失骨骼中高達(dá)30%的鈣質(zhì)。

保羅：這些現(xiàn)象都和神經(jīng)肽Y有關(guān)嗎？

安：是的，這關(guān)乎懷孕和育幼，確切說是哺乳，這會給身體帶來巨大的生理負(fù)擔(dān)。如果你在挨餓時懷孕，情況可能會很糟糕。NPY的作用就是試圖降低這種可能性。此外，我的合作者尼克·貝特利（Nick Betley）還發(fā)現(xiàn)，有另一群釋放NPY的神經(jīng)元，它們投射到臂旁核 (brachial nucleus)，能夠屏蔽掉很多慢性疼痛信號，比如炎癥性疼痛和持久性神經(jīng)痛。

食物受限的動物對這些疼痛信號的反應(yīng)，與它們吃飽時的反應(yīng)完全不同。即使你給小鼠的后爪注射福爾馬林，引發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，但如果這只小鼠正處于饑餓狀態(tài)，它就會完全無視這種疼痛，表現(xiàn)得就像根本沒有感受到任何痛苦一樣。

保羅：這背后的邏輯就是生存優(yōu)先，覓食比其他事情更重要。

安：對。如果你感到疼痛，你會回到巢穴舔舐傷口、休養(yǎng)生息；但如果你在挨餓時也這么做，那就會死掉。所以你必須抑制這種疼痛反應(yīng)，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行對生存更重要的其他行為。NPY 似乎就扮演了這樣的角色：優(yōu)先引導(dǎo)動物遠(yuǎn)離某些行為，轉(zhuǎn)向其他行為。

這樣的例子還有很多。我的合作者莫里爾·澤利科夫斯基（Moriel Zelikowsky）發(fā)現(xiàn)，長期的社會隔離會驅(qū)動神經(jīng)肽速激肽2（tachykinin 2, Tac2）在全腦和全身范圍內(nèi)上調(diào)。小鼠的抑制性中間神經(jīng)元（inhibitory interneurons）和皮層中出現(xiàn)了Tac2過表達(dá)（overexpression）的跡象，皮層會產(chǎn)生某種反應(yīng)，皮層下區(qū)域、脾臟和性腺也參與其中。這些被隔離飼養(yǎng)的小鼠也會表現(xiàn)得更加焦慮，對其他小鼠的攻擊性也強(qiáng)得多。

如果對群養(yǎng)的小鼠在不同腦區(qū)過表達(dá)Tac2，可以單獨(dú)誘發(fā)出焦慮表型（anxiety phenotype），或者單獨(dú)誘發(fā)出攻擊表型（aggression phenotype）。而如果在被隔離的小鼠體內(nèi)阻斷Tac2的過表達(dá)，小鼠的行為就會恢復(fù)正常，表現(xiàn)得像群養(yǎng)小鼠一樣。這就像是基因組（genome）內(nèi)置的一種，我不知道該稱之為誘導(dǎo)性偏置（inductive bias）還是應(yīng)急預(yù)案（contingency plan）。它仿佛在說明：如果你遇到特定環(huán)境，就啟動這種物質(zhì)的生產(chǎn)。而一旦啟動生產(chǎn)，它就能以某種近乎神奇的方式，改變快速時間尺度上的計算動力學(xué)，從而調(diào)控行為。

最讓我著迷的正是這一點(diǎn)：大腦是怎么能如此有效地自我調(diào)節(jié)的，它并非只能做一件事，而是可以執(zhí)行多種不同的行為，同時系統(tǒng)還不會崩潰。當(dāng)你被社會隔離時，你不會突然就忘了怎么識別物體。很多功能都保持正常，但某些特定行為卻會發(fā)生明顯的改變。

保羅：就像你沖浪時腿被鯊魚咬掉，你依然能看清沖浪板并努力保持浮力。你根本顧不上擔(dān)心腿沒了，唯一的焦點(diǎn)就是拼命逃離險境。

安：你可能根本感覺不到疼痛，至少要到安全上岸后才會感覺到。那時你處于恐慌模式，腎上腺素飆升驅(qū)動著你行動，而不是優(yōu)先去處理疼痛感。

保羅：我想再請教一下關(guān)于因果關(guān)系的觀點(diǎn)。聽起來，你指出的這些肽類物質(zhì)，當(dāng)它們生成時，能在保持我們部分認(rèn)知功能完好的同時，對認(rèn)知產(chǎn)生巨大影響。比如特定水平的NPY表達(dá)會抑制疼痛。

安：你的理解正確。

保羅：這聽起來……雖然你剛才說系統(tǒng)很穩(wěn)健，但這樣看似乎又很脆弱？你是如何從因果關(guān)系的角度看待這一點(diǎn)的？我們是否應(yīng)該說這是一種對功能的機(jī)械論解釋（mechanistic account）？你用了肽類物質(zhì)“發(fā)揮作用”這樣的說法。我們是否需要從那種強(qiáng)硬的、一因一果的“臺球式因果關(guān)系”，退回到一種更依賴情境、更柔性的因果敘事？你如何看待這種層面的因果關(guān)系？

安：是的，因果關(guān)系很復(fù)雜?；蛟S我在描述和思考這個問題時，確實(shí)有點(diǎn)陷入“臺球式”的思維定式了。不過，我們的擾動實(shí)驗(yàn)確實(shí)得到了一些結(jié)果。比如，就拿NPY的例子來說，如果你針對臂旁核內(nèi)那些表達(dá)NPY受體的神經(jīng)元，人為地去抑制它們，你就能得到和動物食物受限時一樣的效果。

你也可以直接施加一種擾動：如果你阻斷了NPY本身，你也就阻斷了饑餓所引起的疼痛反應(yīng)抑制。我們能夠操控這些系統(tǒng)，并提出疑問：它們是否真的產(chǎn)生了我們預(yù)期的那種效應(yīng)？這其實(shí)是實(shí)驗(yàn)神經(jīng)科學(xué)中一大難點(diǎn)：如何真正讓自己確信，NPY的釋放與疼痛應(yīng)對行為的改變之間，存在的是因果聯(lián)系，而不僅僅是相關(guān)。

保羅：這也讓我想到，神經(jīng)科學(xué)現(xiàn)在正轉(zhuǎn)向研究自然行為。你描述的這些屬于類自然行為，但在一個完全真實(shí)、生態(tài)化的場景里，一只小鼠可能同時處于懷孕、饑餓和躲避老鷹追捕的狀態(tài)。多種情境交織在一起。而在實(shí)驗(yàn)室里，我們只能讓小鼠設(shè)置在在限定的環(huán)境中。

安：一次只研究一個變量。

保羅：從這個角度看，我感覺這是一種還原論的做法。

安：是的。我想我最近在評論文章里提到過這一點(diǎn)：從某種意義上說，你研究的是一個高維行為，小鼠可以做出任何動作，它的行為是自發(fā)的。但從另一種意義上說，比如在研究攻擊性的實(shí)驗(yàn)中，你把一只小鼠放在它的籠里，啪地扔進(jìn)另一只小鼠，觀察它們10分鐘，然后實(shí)驗(yàn)就結(jié)束了。從某種角度來看，這是一種非常低維的研究方式。

你是在一個特定環(huán)境中，用單一類型的刺激，去觀察處于特定狀態(tài)的動物。因此，你所研究的東西的維度，實(shí)際上取決于你關(guān)注的是大腦的哪個部分。如果我是研究運(yùn)動控制的，我在“居留-入侵者”（resident-intruder）實(shí)驗(yàn)中能看到多種不同類型的動作。但如果你是研究動機(jī)狀態(tài)的，那你關(guān)注的變異軸心（axis of variation）就相對單一。

不過，現(xiàn)在已經(jīng)有一些研究開始關(guān)注這些動機(jī)狀態(tài)之間的相互作用了。我們和尼克（Nick）合作的一個項(xiàng)目就是研究饑餓與疼痛之間的交互。疼痛，實(shí)際上，它不僅僅是傷害性感受，更是一種動機(jī)和情感現(xiàn)象。

保羅：在個體內(nèi)部？你是說，在單個大腦內(nèi)，不同動機(jī)狀態(tài)會相互影響？

安：對。我們后續(xù)有一個項(xiàng)目，研究饑餓與捕食者威脅之間的相互作用，這個方向也有其他人探索。還有饑餓與攻擊性之間的相互作用。大家已經(jīng)開始研究這些成對的交互，試圖真正逼近動物完整的感知世界。要涵蓋它可能處于的所有狀態(tài)，確實(shí)需要極其謹(jǐn)慎的設(shè)計。

保羅：這根本不可能實(shí)現(xiàn)啊。

安：是的，必須得非常精心地設(shè)計實(shí)驗(yàn)，才能收集到真正可用的數(shù)據(jù)集。

保羅：這根本不可能實(shí)現(xiàn)啊。

安：是啊。要收集到真正可用的數(shù)據(jù)集，實(shí)驗(yàn)設(shè)計必須非常精細(xì)。

保羅：要從完全生態(tài)有效的角度去回答這些問題……這就像是你想要一個完美的貓的模型，結(jié)果那個模型就是貓本身。

安：最好還是同一只貓。

保羅：無論是使用模型還是理論，你總是在進(jìn)行抽象，所以永遠(yuǎn)不可能有完美的復(fù)現(xiàn)，你本意也并非要復(fù)制所有細(xì)節(jié)。你必須通過抽象來闡明你感興趣的過程。我不確定是否有人真的想要完整復(fù)現(xiàn)動物所感知的整個世界及其所有的功能可供性。

安：在實(shí)踐中，我們只能一步一個腳印。一次研究一個系統(tǒng)，一個項(xiàng)目解決一個問題，先嘗試解釋和理解它，然后再預(yù)測它可能如何與其他系統(tǒng)互動。這是一個逐步迭代的過程。

保羅：當(dāng)你描述神經(jīng)肽的作用及其下游效應(yīng)時，因果性這個詞總是和效應(yīng)聯(lián)系在一起，你提到這些控制信號和皮層下過程是如何依賴于情境的，它們能塑造或改變其他腦區(qū)神經(jīng)活動發(fā)生的方式。

理解這一點(diǎn)的一種思路在于，現(xiàn)在不是有個“流形”（manifold）研究熱潮嘛，在神經(jīng)活動的低維群體研究中，什么都被看作流形，現(xiàn)在“子空間”（subspace）這個詞也更流行了。所以我在想，當(dāng)你擁有一個神經(jīng)元群體和一堆不同的子空間時，這意味著不同的神經(jīng)元池（pools of neurons）會根據(jù)它們自身的內(nèi)部動力學(xué)特性以及所接收的輸入類型，以不同的方式運(yùn)作。

你是從正交群體活動（orthogonal population activity）的子空間、或者說可能流形狀態(tài)中的不同流形這個角度來思考它，還是更簡單地把它看作一種類似“游戲”的機(jī)制，比如全局性地升高或降低所有神經(jīng)元的放電頻率？

安：我認(rèn)為這正是理論可以發(fā)揮作用的地方：我們需要弄清楚，當(dāng)你調(diào)控一個神經(jīng)元群體的活動時，其可能產(chǎn)生的影響范圍有多大。例如，當(dāng)你大量釋放一種神經(jīng)肽時，你是激活了一組先前不響應(yīng)、現(xiàn)在開始響應(yīng)的細(xì)胞，從而將這些新細(xì)胞招募到你的計算群體中？還是改變了全體神經(jīng)元的興奮性？

這正是理論能做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)的方向。我們在這方面做了一些初步探索，研究了異質(zhì)性神經(jīng)元群體，以及調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性的異質(zhì)性如何改變它們作為儲備池的計算方式。我的博士后理查德·加斯特（Richard Gast）正在開展這方面工作，我們給神經(jīng)元添加了一種相當(dāng)簡單的異質(zhì)性形式。我們認(rèn)為，有一群發(fā)放脈沖的細(xì)胞（spiking cells），它們并非擁有相同的閾值，而是具有一個放電閾值（spike threshold）的分布。有些細(xì)胞稍微容易興奮一些，有些則較難興奮。

然后我們問：當(dāng)你改變這個分布的寬度時，它會如何改變?nèi)后w動力學(xué)？我們最初這樣做只是考慮細(xì)胞類型內(nèi)的變異，事實(shí)上，任何一個給定的細(xì)胞群體都不是完全相同的，它們存在一定的差異。我們和盧卡·馬祖卡托（Luca Mazzucato）討論過，他一直在思考一個非常相似的模型，用以理解乙酰膽堿對皮層動力學(xué)的影響。盧卡指出，這種放電閾值的分布實(shí)際上是可以根據(jù)某種配體的濃度實(shí)時改變的。我也同意這一觀點(diǎn)。

如果你向皮層施加乙酰膽堿，一些細(xì)胞會去極化（depolarized），而另一些則會超極化（hyperpolarized）。你施加得越多，這個分布就變得越寬。你確實(shí)可以通過神經(jīng)調(diào)節(jié)信號實(shí)時改變放電閾值分布的寬度。在理查德的工作中，他基于異質(zhì)性神經(jīng)元的脈沖網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出了一個平均場模型（mean field model），用以描述群體的放電率及其行為。

利用這個簡化后的平均場模型，他可以執(zhí)行分岔分析（bifurcation analysis），觀察根據(jù)輸入量的大小以及群體放電閾值異質(zhì)性的程度，可以將系統(tǒng)推入哪些不同的計算狀態(tài)。這非常有意思，僅通過調(diào)節(jié)整個神經(jīng)元池的放電閾值異質(zhì)性，你就能對神經(jīng)群體的傳遞函數(shù)產(chǎn)生相當(dāng)深遠(yuǎn)的影響。

在一個興奮性細(xì)胞（excitatory cells）池中，增加異質(zhì)性可以線性化它們的響應(yīng)。這使得活動具有更高的維度，更適合函數(shù)生成等任務(wù)，但會削弱同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（homogeneous network）所具有的那種良好的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制，而這種機(jī)制對于工作記憶等功能非常有用。

保羅：所以在高異質(zhì)性狀態(tài)下，系統(tǒng)會被推向線性區(qū)間？

安：是的，會呈現(xiàn)線性的輸入-輸出傳遞函數(shù)。系統(tǒng)維度變得更高，能夠被更廣范圍的頻率所驅(qū)動，行為庫也更豐富。

保羅：這是為了提升處理能力對吧？

安：是的。

保羅：但如果異質(zhì)性過高，會不會因?yàn)榫S度太高而導(dǎo)致系統(tǒng)無法有效工作？

安：沒錯。如果走向極端，就會出現(xiàn)一些神經(jīng)元持續(xù)放電而另一些完全靜默的情況。這時系統(tǒng)的放電閾值分布會變得非常不穩(wěn)定，導(dǎo)致有效計算群體中的神經(jīng)元大量流失。實(shí)際上，存在一個相當(dāng)合理的分布寬度范圍，能夠產(chǎn)生多樣化的行為模式。

保羅：所以并不是一個最佳點(diǎn)，而是一個最佳區(qū)間。

安：是的。調(diào)節(jié)神經(jīng)元群體的異質(zhì)性，就像是給系統(tǒng)增加了一個新的“控制旋鈕”。但如果我們不是在所有神經(jīng)元上，而是專門在抑制性神經(jīng)元上調(diào)節(jié)這個“旋鈕”，效果會截然不同。這里有一個關(guān)鍵點(diǎn)：如果一個網(wǎng)絡(luò)里的抑制性神經(jīng)元全都一模一樣，就像復(fù)刻品一樣擁有完全相同的放電閾值，那么這個網(wǎng)絡(luò)就很容易陷入一種劇烈的、類似癲癇的爆發(fā)性活動模式。而反過來，如果我們增加抑制性神經(jīng)元的異質(zhì)性，讓它們變得彼此不同，反而能“解鎖”興奮性神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中固有的、復(fù)雜的動態(tài)特性（比如多種可能的狀態(tài)，即“分岔結(jié)構(gòu)”）。

更重要的是，如果能實(shí)時地調(diào)節(jié)抑制性神經(jīng)元的異質(zhì)性，我們或許就能實(shí)現(xiàn)一種“信息門控”的效果。調(diào)高異質(zhì)性時，興奮性神經(jīng)元的動態(tài)特性（其“傳遞函數(shù)”）就會清晰地表露出來，允許信息更精細(xì)地傳遞；調(diào)低異質(zhì)性時，這種精細(xì)的動態(tài)特性就會消失，系統(tǒng)回到簡單的爆發(fā)模式。

這種機(jī)制的美妙之處在于，它提供了一種控制大腦計算的全新思路：我們不需要去精確調(diào)整成千上萬個突觸連接的權(quán)重，也不需要進(jìn)行復(fù)雜的“監(jiān)督學(xué)習(xí)”，而是通過調(diào)節(jié)細(xì)胞本身的興奮性差異這種整體性參數(shù)，就能大幅改變網(wǎng)絡(luò)的計算模式。這簡直像是一種“開箱即用”的調(diào)控捷徑。

保羅：我一直在想，皮層下過程就像是可以調(diào)節(jié)的刻度盤、旋鈕之類的東西。這讓我想起了麥克·夏恩（Mac Shine）幾年前的工作，他和 Michael Breakspear在神經(jīng)元群體的模型中，通過控制增益（gain）發(fā)現(xiàn)了這些無標(biāo)度動力學(xué)（scale-free dynamics）特征，并且存在一些最佳的“甜點(diǎn)”區(qū)域，我猜這里的增益本質(zhì)上就是控制放電閾值。

這讓我聯(lián)想到你的研究。不過在他的研究中，他是將這一機(jī)制映射到了上行喚醒系統(tǒng)（ascending arousal system）上。如果你通過去甲腎上腺素的投射或其他途徑，來調(diào)高或調(diào)低神經(jīng)元的放電閾值，你也會得到類似的那種最佳范圍。雖然不是完全相同的機(jī)制，但也是一個能讓系統(tǒng)做很多事情、具有很高容量的最佳范圍。從這個意義上講，你可以把上行喚醒系統(tǒng)看作一個控制旋鈕。

那么所有的皮層下過程，你是否都把它們看作控制旋鈕？你是怎么看待它們的？這是不是一種對皮層下過程的控制論視角？

安：是的。但我認(rèn)為，這些“控制旋鈕”本身到底有多高的維度（high-dimensional），還是一個開放性的問題。

保羅：那它們的維度究竟有多高呢？

安：我們有很多通訊渠道，但這些渠道能夠影響突觸后細(xì)胞的方式卻相當(dāng)有限。雖然我們有數(shù)百種G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors），但信號進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部后發(fā)生的變化就比較受限了。這其實(shí)很有趣，我認(rèn)為這種設(shè)計是為了實(shí)現(xiàn)特異性。

保羅：能請你詳細(xì)闡述一下嗎？細(xì)胞膜上存在著許多不同類型的受體（比如G蛋白偶聯(lián)受體），用于接收來自皮層下結(jié)構(gòu)的輸入。這看起來多樣性很高，但你剛才的意思是，在細(xì)胞內(nèi)部，存在著某種瓶頸，限制了后續(xù)可能發(fā)生的事情？

安：是的。在細(xì)胞內(nèi)部，對于一個G蛋白偶聯(lián)受體來說，其受體部分對配體（ligand）具有特異性，或者說，它有一組能夠結(jié)合的配體。而在細(xì)胞內(nèi)部，存在著Gα、Gβ、Gγ 這些亞基。當(dāng)受體與配體結(jié)合后，這些亞基會分離，然后在細(xì)胞內(nèi)各自去執(zhí)行自己的任務(wù)。這里的關(guān)鍵在于，受體類型的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于亞基的類型。一旦你激活了這些亞基，它們中的大多數(shù)最終都會匯聚到調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷（cyclic AMP, cAMP）的水平上來。

保羅：為什么會需要這種維度縮減呢？

安：這是個很好的問題。首先，這種維度縮減的程度究竟有多大，本身仍然是一個待探索的問題。比如環(huán)磷酸腺苷（cAMP ）在細(xì)胞內(nèi)是像一個均勻混合的池子，還是存在不同的區(qū)室，讓不同區(qū)域的 cAMP 可以獨(dú)立運(yùn)作？這和鈣離子信號一樣：生物學(xué)中幾乎所有事情都通過鈣離子傳遞，那我們是如何用同一種離子來分別調(diào)控動作電位、轉(zhuǎn)錄和其他所有過程的呢？是否存在功能分區(qū)？

這一直讓我很困惑：生物系統(tǒng)擁有如此復(fù)雜的能力，卻都要擠過細(xì)胞內(nèi)鈣離子這個狹窄的瓶頸。

至于受體多樣性，演化生物學(xué)中有一個概念叫做大野悖論（Ohno's dilemma），說的是：如果你有一個負(fù)責(zé)功能X的基因，而你又需要它去承擔(dān)功能Y（當(dāng)然演

但在不破壞 X 的前提下突變出 Y 是很難的。于是演化的策略是：復(fù)制這個基因，然后對復(fù)制品進(jìn)行突變。也許讓這個副本在大腦的不同區(qū)域表達(dá)，也許改變它對某個配體的結(jié)合親和力，或者干脆讓它完全轉(zhuǎn)向偏好另一個不同的配體。

保羅：你指的是演化過程的作用，還是在個體生命周期內(nèi)的變化？

安：演化。這是一種利用現(xiàn)有有用結(jié)構(gòu)的策略，比如一個細(xì)胞表面受體（cell surface receptor），通過擴(kuò)展其連接范圍來增加功能多樣性。雖然調(diào)用的是相同的下游信號通路，但通過在不同細(xì)胞亞群中激活該受體，就能以不同的激活閾值或時間尺度實(shí)現(xiàn)功能分化。

我們發(fā)現(xiàn)血清素、乙酰膽堿有數(shù)十種受體，許多神經(jīng)肽也至少存在數(shù)種受體亞型。這可能是實(shí)現(xiàn)特異性的方式，確保特定細(xì)胞亞群能精準(zhǔn)接收信號。而一旦信號傳遞至細(xì)胞內(nèi)，后續(xù)的處理機(jī)制則是相當(dāng)一致且保守的。我所希望闡明的觀點(diǎn)是：雖然表面上看起來像是一團(tuán)生物學(xué)的“亂麻”，但實(shí)際上你用來調(diào)控細(xì)胞的手段，其變化范圍是相對較小的。

保羅：這確實(shí)是個復(fù)雜的生物混沌體系，令人頭暈?zāi)垦！Ｐ液糜心氵@樣的學(xué)者投身其中，我的大腦最多只能記住三個縮寫詞，超過這個數(shù)就不行了。神經(jīng)肽的世界，我根本不知從何入手。

安：但其實(shí)沒必要搞得那么復(fù)雜。本質(zhì)上，這就是你的權(quán)重矩陣中哪些條目是非零的問題。這樣一來，這個細(xì)胞就能與那個特定的細(xì)胞亞群進(jìn)行通信。而一旦通信建立，這些細(xì)胞后續(xù)會做什么，其實(shí)是高度受限的。這再次說明，這是一種將連接性“預(yù)置”到大腦中的方式，無需通過經(jīng)驗(yàn)來學(xué)習(xí)。

打個比方：如果我有一組細(xì)胞能釋放某種特定分子，而另一組細(xì)胞可以“聆聽”這種分子，那么我就能在這兩個群體之間形成一種交互作用，而不需要以某種非常精確的方式去引導(dǎo)一個軸突連接到樹突。如果我再讓這種信號分子的表達(dá)對動物的狀態(tài)敏感，比如對食物短缺、社會隔離或應(yīng)激敏感，用演化生物學(xué)的語言說，叫做表型可塑性（phenotypic plasticity）。你會得到一些表型，它們就像是應(yīng)急預(yù)案，就像大腦中的一些神經(jīng)回路和交互模式，只在你需要的時候才被激活。

保羅：就像是即時生成的。這是不是部分印證了你在評論文章里的觀點(diǎn)：理論神經(jīng)科學(xué)還有巨大的發(fā)展空間？傳統(tǒng)上理論神經(jīng)科學(xué)把大腦視為執(zhí)行任務(wù)的符號計算過程，但你的研究真正把它帶入了一個全新的維度：自然情境。就像整個領(lǐng)域正在推動的研究方向一樣，將其置于生態(tài)效度更高的行為研究中。

此外，你的研究還在跨層次，一直深入到亞細(xì)胞過程，探索這些亞細(xì)胞通訊與信號網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作方式。這是否就是你所看到的、理論神經(jīng)科學(xué)最具發(fā)展?jié)摿Φ姆较颍?/p>

安：這確實(shí)是其中一個方向。這里存在著巨大的理論構(gòu)建和假說生成的空間。比如說，這些信號系統(tǒng)應(yīng)該以何種方式被組織起來？以弓狀核（arcuate nucleus）為例，它似乎就采用了一種“樞紐-輻射”（hub-and-spoke）式的結(jié)構(gòu)。當(dāng)你饑餓時，它會向不同的目標(biāo)腦區(qū)發(fā)出不同的投射，以此來調(diào)控相應(yīng)的功能。

保羅：弓狀核是什么結(jié)構(gòu)？

安：弓狀核是饑餓激活神經(jīng)元的聚集區(qū)，這些神經(jīng)元負(fù)責(zé)釋放神經(jīng)肽Y（neuropeptide Y, NPY）。它是大腦中的一個信號廣播中心，向多個腦區(qū)傳遞信息。但“這是不是系統(tǒng)唯一的組織方式呢？”如果我們看速激肽2（Tachykinin-2, Tac2）系統(tǒng)，情況就非常不同。在社交隔離的動物中，表達(dá)Tac2的細(xì)胞分布非常廣泛，實(shí)際上所有的抑制性中間神經(jīng)元都在產(chǎn)生它，所以根本不存在一個單一的信號發(fā)射樞紐。這更像是基因在不同細(xì)胞群體中、可能在不同情境下被選擇性激活的結(jié)果。

這讓我們有充足的空間來思考：到底是什么原則在塑造這些系統(tǒng)？如果我們想讓自己構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變得更靈活、更具表現(xiàn)力，該如何最優(yōu)地利用這些機(jī)制？更重要的是，如何在使用這些機(jī)制的同時，不破壞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最基本、最核心的功能？

保羅：你提到了“原理”這個詞。那么這些原理會不會是同一套呢？我有點(diǎn)猶豫要不要再回到動力學(xué)系統(tǒng)的視角，動力學(xué)系統(tǒng)理論可以應(yīng)用到任何由相互作用部件組成的網(wǎng)絡(luò)。這既適用于我們神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的傳統(tǒng)研究對象，比如脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也適用于分子網(wǎng)絡(luò)（molecular networks）、亞細(xì)胞蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)（subcellular protein interaction networks）等等。這些系統(tǒng)會遵循相同的原理嗎？還是說，隨著我們觀察的層級不同，會出現(xiàn)一套全新的原理？

安：是的，我認(rèn)為即使我們研究的是這些非常分子層面、亞細(xì)胞層面（molecular, subcellular）的東西，我們?nèi)匀豢梢运伎既绾卧诃h(huán)路尺度（circuit scale）上應(yīng)用它們的原理。舉個例子，在我和尼克·貝特利（Nick Betley）即將發(fā)表的工作中，就研究了這種饑餓對疼痛的抑制效應(yīng)。

當(dāng)你饑餓時，會釋放神經(jīng)肽Y（neuropeptide Y, NPY），它阻斷了疼痛。你可以從計算的角度提出問題：這里到底發(fā)生了什么？我們是否應(yīng)該這樣理解？

我們最初研究這個現(xiàn)象時的思路是這樣的：當(dāng)動物對疼痛做出反應(yīng)時，以小鼠為例，它們會消耗能量，比如僵住或者舔舐傷口。這些行為取代了其他活動，比如覓食。如果你處于饑餓狀態(tài)，也許大腦中有一個部分在比較你的饑餓程度和疼痛程度，然后根據(jù)這些相對水平做出決策。當(dāng)你更餓的時候，“饑餓值”就更高。這可以是一種理解方式：這個信號輸入了某種“比較器”，由它來決定該做什么。

保羅：你認(rèn)為機(jī)制真的這么簡單嗎？

安：這確實(shí)是我們剛開始研究時期望能驗(yàn)證的模型。但你也可以想象它完全以另一種方式運(yùn)作。比如說，大腦中負(fù)責(zé)運(yùn)動控制的部分可能會發(fā)出指令：“我受傷了，需要舔舐傷口，停止覓食?！倍囸I信號可能只是直接切斷了這個指令的輸出。它就像在說：“現(xiàn)在有其他更重要的事。暫時不要啟動這些運(yùn)動程序，你還有別的事情要做。”這種解釋聽起來也挺合理的。

保羅：就像一個中止信號。

安：對。還有一種可能性是，你或許可以從一開始就阻斷疼痛信號傳達(dá)到大腦。NPY 可能將疼痛信號“拒之門外”。這樣的話，即使大腦有一套決策“策略”，也就是那個決定下一步該做什么的、抽象的分布式處理過程，如果大腦從一開始就不知道疼痛的存在，它就會直接去處理其他事情。為此，我們構(gòu)建了一個簡單的強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體（toy RL agent）模型，它包含疼痛狀態(tài)、消耗狀態(tài)和策略模塊。然后我們追問：“饑餓到底應(yīng)該調(diào)控其中的哪個環(huán)節(jié)？”

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，唯一能真正復(fù)現(xiàn)這種疼痛應(yīng)對行為減弱的，就是阻斷系統(tǒng)的輸入。另外，因?yàn)樘弁摧斎氡旧砭哂谐掷m(xù)性，如果你只是提高開始響應(yīng)它的閾值，系統(tǒng)會延遲幾秒鐘才作出反應(yīng)；或者，如果你增加行為成本或阻斷行動輸出，系統(tǒng)就會開始不斷重復(fù)嘗試那個動作，直到有一次成功為止。

與直接控制策略或輸出相比，對輸入進(jìn)行門控是控制我們系統(tǒng)行為的一種更簡潔的途徑。而且，這種方法對動物實(shí)際感受的預(yù)測也不同：因?yàn)槿绻覀冊谀Ｐ椭凶钄噙\(yùn)動輸出，動物實(shí)際感受到的疼痛其實(shí)比飽食狀態(tài)下更強(qiáng)烈。

保羅：這是通過行為觀察得出的結(jié)論，對嗎？

安：不，不是通過行為本身。行為表現(xiàn)看起來是一樣的。但如果你去觀察在決策過程中起作用的那些內(nèi)部變量，比如疼痛感和能量消耗，你會發(fā)現(xiàn)，在動物最終做出行動之前，其疼痛感會攀升到一個更高的水平。如果我們?nèi)ジ蓴_決策策略本身，也會出現(xiàn)同樣的情況。這基本上等于在說：“你必須承受更強(qiáng)的疼痛，才會采取行動?！?所以，當(dāng)你看到一個行動時，它實(shí)際上反映了更強(qiáng)烈的潛在疼痛。而相反，如果是通過門控機(jī)制阻斷輸入，那么動物實(shí)際的潛在疼痛狀態(tài)反而是更低的。

當(dāng)尼克觀察臂旁核神經(jīng)元時，他發(fā)現(xiàn)有一些細(xì)胞，在飽食的小鼠處于炎癥性疼痛狀態(tài)時，會表現(xiàn)出這種持久的、持續(xù)的活動；而這些活動在食物受限的動物身上就完全消失了。這確實(shí)看起來就像是疼痛感知的神經(jīng)基礎(chǔ)。當(dāng)然，我們在論文里沒敢把話說得這么滿。

保羅：我原以為是C纖維（C-fibers）負(fù)責(zé)傳遞痛覺信號。難道不應(yīng)該是C纖維嗎？

安：你描述的那個過程是傷害性感受（nociception）。傷害性感受和疼痛（pain）是兩個不同的概念。

保羅：是的，我明白了。

安：正因如此，我們現(xiàn)在可以說：“瞧，我們可以研發(fā)一種新藥，并且通過觀察這群特定的神經(jīng)元活動，就能判斷出動物正在經(jīng)歷多大程度的疼痛。我們不再需要僅僅依靠觀察它的行為，或者非得在它爪子上扎一下才能知道它是否感到疼痛?！?這實(shí)際上對慢性疼痛治療領(lǐng)域有著巨大的意義。因?yàn)槲覀兊谝淮螕碛辛诉@種疼痛狀態(tài)的神經(jīng)表征基礎(chǔ)，而在此之前，我們只能通過對動物施加某種刺激才能間接讀取這個信息。一個正在經(jīng)歷慢性疼痛的人，并不是說你用針扎他一下他喊“哎喲”才叫疼痛，他們每時每刻都在感受著疼痛，即使他們沒有用語言或行為表達(dá)出來。

保羅：這讓我想起心理學(xué)中關(guān)于改變習(xí)慣的研究：最有效的方法是從源頭切斷。有效改變習(xí)慣的方式是針對“線索-反應(yīng)-獎勵”這個循環(huán)：比如說毒品成癮，線索會觸發(fā)渴求反應(yīng)，吸毒后獲得快感。消除線索是最有效的策略。就像告訴戒毒的人：“別去橋下買海洛因了，干脆遠(yuǎn)離那座橋?！?在神經(jīng)層面，我們討論的也是同一種原理。

安：是的。這似乎可能是一個普適性的機(jī)制。還有其他案例也表明，動物行為的改變與感覺信息處理方式的變化有關(guān)。例如，凱瑟琳·杜拉克（Catherine Dulac）在雄性小鼠對幼崽的指向性攻擊方面做了非常精彩的研究。雄性小鼠通常有殺嬰行為（infanticidal），如果它們遇到一只幼鼠，它們會攻擊它。但是，如果它們在交配后大約一個妊娠周期時遇到幼鼠，這意味著那只幼鼠有可能是它們自己的后代，它們的行為就會發(fā)生轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)出更多的撫育行為，而不是直接攻擊幼崽。

這種行為轉(zhuǎn)變與它們?nèi)绾翁幚韥碜杂揍痰母杏X線索，特別是與信息素線索的變化有關(guān)。當(dāng)我剛開始研究這個領(lǐng)域時，我曾認(rèn)為下丘腦就像個總決策器，它在權(quán)衡各種因素，然后在特定時刻做出要做什么的決定。那里發(fā)生著一些神奇而復(fù)雜的過程。但也許，改變行為最有效的方式，并不是去改變這些內(nèi)在驅(qū)動力或需求狀態(tài)之間的相互作用，而是改變你感知周圍環(huán)境的方式。

保羅：你的核心觀點(diǎn)是不是：關(guān)鍵并不在于下丘腦內(nèi)部各種驅(qū)動力狀態(tài)之間的相互作用，而在于系統(tǒng)對感覺狀態(tài)的反應(yīng)方式？

安：是的，至少在我們研究饑餓與疼痛的案例中，情況就是這樣。我們發(fā)現(xiàn)，相比于試圖去操縱其內(nèi)部策略或輸出，通過改變我們那個小小的強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體的輸入，來改變它的行為要容易得多。

保羅：稍等，想詢問一下，下丘腦以什么功能著稱？傳統(tǒng)上，我們認(rèn)為下丘腦主要負(fù)責(zé)哪些功能？

安：下丘腦的功能非常龐雜。有些學(xué)者研究它在生長發(fā)育、青春期以及控制激素釋放中的作用。有些研究者關(guān)注它在攝食和新陳代謝調(diào)節(jié)方面的功能。此外，下丘腦的某些部分還參與諸如捕食者防御、繁殖行為和攻擊行為等過程。總的來說，它位于大腦的非常深層的區(qū)域，是由一系列相互連接的核團(tuán)成的集合體。這些核團(tuán)表達(dá)各種各樣的信號分子和受體，而它們的核心功能似乎就是參與調(diào)控各種生存所必需的行為。

保羅：這正是我想探討的，我想了解你對皮層下過程之間聯(lián)系的看法，也就是你所研究的這些生存行為、疼痛、動機(jī)、饑餓等等。這些過程傳統(tǒng)上被認(rèn)為是一種基礎(chǔ)層級的認(rèn)知，甚至幾乎算不上是認(rèn)知。它更像是一種“在需要時就會自動接管”的機(jī)制。

人類和一些哺乳動物最奇妙的一點(diǎn)在于，我們能夠進(jìn)行思考。這就是我們大腦皮層的功能。我們擁有美妙的思維過程，能夠想象各種場景，在腦海中模擬，并且構(gòu)建世界模型，等等。然而，這些更底層的皮層下過程、皮層下結(jié)構(gòu)，對我們的行為有著如此強(qiáng)大的影響力，它們持續(xù)地影響著我們正在進(jìn)行的、實(shí)時的行為。

打個極端的比方，如果我的腿被鯊魚咬掉了，我的視覺感知可能仍在工作，我還能看見我的沖浪板，但在那種時刻，我腦子里大概絕對不可能還在琢磨著寫詩。這些高級認(rèn)知功能基本上都停止運(yùn)行了。你是如何看待這種跨越了我們通常所認(rèn)為的“認(rèn)知”全譜系的現(xiàn)象的？

安：我覺得可以把它看作一種針對你自身需求的“工作記憶”。它持續(xù)地追蹤：我現(xiàn)在有多餓？有多渴？壓力有多大？最近有沒有打過架？周圍有沒有其他人讓我感到緊張、或者我想去見、想去互動的？

具體機(jī)制我也說不準(zhǔn)。但它更多是為我們的行動提供信息，而不是直接下達(dá)命令。

保羅：你的意思是，我們可以主動覆蓋這些信號的，是嗎？

安：是的。有個非常有意思的案例，蘇格蘭有一位女性，天生就感覺不到疼痛。她的脂肪酸胺羥化酶（fatty acid amine hydroxylase）基因發(fā)生了突變。

保羅：好神奇。

安：她不僅感覺不到疼痛，還說自己從未體驗(yàn)過憤怒或恐懼，整個人處于一種極度冷靜的狀態(tài)。這個基因是在下丘腦中表達(dá)的，所以她依然是一個健全的人，但她缺乏那種持續(xù)存在的驅(qū)動力。比如你我都會體驗(yàn)到的那種攻擊性和焦慮相關(guān)的驅(qū)動力，這些好像在她身上被強(qiáng)烈地抑制了。我推測，可能因?yàn)檫@個基因突變降低了她下丘腦提升活躍度、產(chǎn)生持續(xù)放電和維持持久動機(jī)狀態(tài)的能力。

保羅：她在其他方面完全正常嗎？她不是什么特別的天才詩人之類的吧？我的意思是，她的智商和認(rèn)知功能等等都正常，對嗎？

安：對，完全正常，只是異常地冷靜。她生過孩子，當(dāng)時的反應(yīng)就像是：“這感覺有點(diǎn)怪。” 她能識別出別人正處于痛苦或困境中，但對她來說，這更像是一種認(rèn)知上的判斷，缺乏那種本能的“感同身受”。受影響的主要是情緒層面，而不是她的思維能力和行動能力。

保羅：這讓我想到整個具身認(rèn)知（embodied cognition）運(yùn)動，以及所謂的“4E認(rèn)知”（the four Es）。這個學(xué)派的核心觀點(diǎn)是，我們的認(rèn)知是與身體緊密相連的，我們不應(yīng)該把大腦看作是獨(dú)立于身體之外的，也不應(yīng)該認(rèn)為認(rèn)知僅僅是由大腦產(chǎn)生的，因?yàn)槲覀兯龅囊磺?，都是這個與身體相連的同一系統(tǒng)的一部分。

你的研究似乎非常貼近這種“身體內(nèi)發(fā)生的事”，也就是身體如何發(fā)出信號，讓這些腦區(qū)釋放出各種肽類物質(zhì)，從而影響我們正在進(jìn)行的行為和認(rèn)知。那么，在這個腦與身體是二元對立還是非二元的問題上，你站在哪一邊？

安：這是一個非得二選一的二元論問題嗎？我必須選一邊站？

保羅：不，我的意思正是，也許它根本就不是二元對立的。堅就像 4E 學(xué)派認(rèn)為的那樣，大腦和身體之間根本沒有界限。

安：是的。我想說，下丘腦就處于一個非常特殊的位置。大腦中有一個區(qū)域的血腦屏障比較薄弱，使得大腦能夠直接感知血液中的信號，而下丘腦正好就坐在那個位置上。

保羅：哦，這一點(diǎn)我之前還真不知道。

安：它能接收大量來自血液的信號，這些信號是無法到達(dá)大腦其他區(qū)域的。我認(rèn)為它尤其參與諸如饑餓、口渴和感知營養(yǎng)需求狀態(tài)這類過程，同時，它也能讓你感知到循環(huán)激素（circulating hormones）以及其他物質(zhì)。

腦與身體的相互作用是當(dāng)前一個非常熱門的話題，但它也是過去神經(jīng)科學(xué)理論涉足不多的一個方向。回到之前提到的儲備池計算，身體其實(shí)是一個絕佳的載體，用來承載記憶、提供能夠影響神經(jīng)計算的長時程信息。你有各種循環(huán)信號，它們代表著身體的整體狀態(tài)、可用的營養(yǎng)物質(zhì)，還有關(guān)于過去身體活動的信號，這些都能從身體傳遞到大腦，來表征某些特定的需求狀態(tài)。

我認(rèn)為，下丘腦的角色，在某種程度上，就是感知這些信號，推斷出需求狀態(tài)，然后利用這個信息向大腦的其他部分進(jìn)行“廣播”，告訴大家“我現(xiàn)在應(yīng)該優(yōu)先處理什么事情”。我是不是該多關(guān)注食物的氣味？我是不是該多留意一下我周圍的其他同類？

量化行為與理論前沿：

從基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集到行為預(yù)測

保羅：你另一部分的工作涉及行為建模，你可以也談?wù)勥@方面的進(jìn)展嗎？如果我沒理解錯，你也準(zhǔn)備發(fā)布一個數(shù)據(jù)集，對嗎？

安：對，很快會發(fā)布。我最初參與這項(xiàng)工作，其實(shí)是因?yàn)槲宜诘牟┦亢髮?shí)驗(yàn)室想要實(shí)現(xiàn)小鼠行為標(biāo)注的自動化。因?yàn)楫?dāng)你研究社會行為以解讀神經(jīng)活動時，你必須確切地知道小鼠在做什么。在我剛開始的時候，這項(xiàng)工作完全依賴于非常有耐心的博士后或技術(shù)員，他們得一遍遍地觀看小鼠互動的視頻，然后逐幀手動標(biāo)注它們的行為。我想現(xiàn)在很多實(shí)驗(yàn)室仍然是這樣做的。

最初，這純粹是為了讓行為學(xué)研究變得更輕松。我們花了一段時間研究用于姿態(tài)估計和監(jiān)督式行為分類的計算機(jī)視覺系統(tǒng)。從“為科研工作者減負(fù)”這個角度來說，這仍然是我們感興趣的方向。但我認(rèn)為，除此之外，通過更定量化的計算方式來研究動物行為的動力學(xué)，本身也能讓我們學(xué)到很多東西。顯然，這個領(lǐng)域在過去十年里取得了爆炸式的發(fā)展。

保羅：確實(shí)，現(xiàn)在已有了各種各樣的自動化標(biāo)注工具。

安：是的。但在幾年前，我們遇到一個問題：當(dāng)時每個發(fā)表行為分類或無監(jiān)督行為分割論文的團(tuán)隊(duì)，都會構(gòu)建自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)集，然后證明他們的方法在這個數(shù)據(jù)集上效果非常好。但這樣一來，其實(shí)沒有人能夠真正客觀地評估這些方法的普適性到底怎么樣。

保羅：確實(shí)如此。

安：我在加州理工學(xué)院的合作者皮埃特羅·佩羅納（Pietro Perona），長期以來一直有為他所在的計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域發(fā)布基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的傳統(tǒng)。他的學(xué)生李飛飛（Fei-Fei Li）發(fā)布了ImageNet，徹底改變了計算機(jī)視覺領(lǐng)域。我們也想做類似的事情，為行為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)布基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。為此，我們組織了一系列多智能體行為挑戰(zhàn)賽，讓參賽團(tuán)隊(duì)去解決小鼠行為數(shù)據(jù)集中某些特定的計算問題。

第一個挑戰(zhàn)賽的內(nèi)容，和我們那篇小鼠行為論文里做的工作一樣。我們發(fā)布了一個關(guān)于互動小鼠的運(yùn)動追蹤數(shù)據(jù)集，然后對大家說：“請為我們制作一些分類器，要能檢測出動物何時在嗅探、交配或打斗?！苯Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你有足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)時，模型在這項(xiàng)任務(wù)上的表現(xiàn)已經(jīng)可以做到和另一個人類標(biāo)注者不相上下了。

我們在2022年左右發(fā)布了第二個數(shù)據(jù)集，這次的目標(biāo)是無監(jiān)督行為分析和表征學(xué)習(xí)。評估一個無監(jiān)督模型的好壞是非常困難的，當(dāng)你得到行為軌跡的分割結(jié)果時，只能感嘆“哦，挺酷的”。

保羅：你的意思是，不用人工標(biāo)注全部數(shù)據(jù)就能進(jìn)行評估？

安：是的。關(guān)鍵在于這個行為的表征是否真的有用？如果你在無監(jiān)督分割上做得不好，你得到的聚類可能僅僅對應(yīng)于小鼠在籠子里的位置，因?yàn)槟銢]有控制它的位置變量。

保羅：而你關(guān)心的并不是位置。你關(guān)心的是它正在做什么行為，無論它在哪兒。

安：正是如此。

保羅：不過，至少在某些實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，位置信息有時也確實(shí)重要。

安：確實(shí)，“有用”的界...