我們正在見證一種對(duì)所謂“神經(jīng)活動(dòng)基礎(chǔ)模型（foundation models of neural activity）”的巨大熱情。神經(jīng)基礎(chǔ)模型，本質(zhì)上類似于那些已經(jīng)成為深深嵌入我們生活中的人工智能聊天機(jī)器人：它們讀取了大量神經(jīng)數(shù)據(jù)，并通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)了其中的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。訓(xùn)練完成后，這些神經(jīng)基礎(chǔ)模型可以將所學(xué)到的內(nèi)容進(jìn)行泛化，用來預(yù)測(cè)新的神經(jīng)活動(dòng)模式、運(yùn)動(dòng)輸出或?qū)Ω杏X刺激的反應(yīng)。

可以說，神經(jīng)基礎(chǔ)模型最引人入勝之處在于，它們能夠從不同動(dòng)物、相關(guān)腦區(qū)或類似任務(wù)的活動(dòng)中學(xué)習(xí)。這暗示了關(guān)于大腦的一個(gè)非凡事實(shí)。正如人工智能聊天機(jī)器人利用語言中有限的字符和語法規(guī)則，去學(xué)習(xí)個(gè)體作者作品背后的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)，從而寫出十四行詩、推薦食譜或討論生命意義一樣，神經(jīng)基礎(chǔ)模型的泛化能力也表明，神經(jīng)活動(dòng)同樣由一套在不同大腦之間共享的“字符”和“語法規(guī)則”所構(gòu)成。

在這篇文章中，我將嘗試通過將這些模型的表現(xiàn)與近期的神經(jīng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)聯(lián)系起來，解釋這些神經(jīng)基礎(chǔ)模型為何能夠發(fā)揮作用，并指出我認(rèn)為神經(jīng)科學(xué)家可以利用這些模型來理解大腦的關(guān)鍵機(jī)遇，以及未來面臨的挑戰(zhàn)。

在過去十年中，人們逐漸清楚地認(rèn)識(shí)到，大腦功能的許多方面，更適合用分布在大量神經(jīng)元中的群體活動(dòng)模式來描述，而不是由某些特定的神經(jīng)元子群來承擔(dān)。例如，在研究猴子如何根據(jù)兩個(gè)連續(xù)刺激的相對(duì)強(qiáng)度做出決策時(shí)，并不存在所謂的“是什么”或“何時(shí)”神經(jīng)元；相反，前額葉皮層中的所有神經(jīng)元共同形成兩組群體活動(dòng)模式，分別定義了刺激是什么以及何時(shí)出現(xiàn)。同樣，在猴子或小鼠的運(yùn)動(dòng)皮層中，也似乎不存在“運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備”或“運(yùn)動(dòng)執(zhí)行”神經(jīng)元：所有神經(jīng)元都參與到運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行的群體活動(dòng)模式之中。這些發(fā)現(xiàn)以及其他許多研究都強(qiáng)烈表明，“大腦的語言”是建立在單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)所構(gòu)成的特定群體模式之上的，這些模式實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知、感覺和運(yùn)動(dòng)控制中的關(guān)鍵過程。

對(duì)我們來說重要的是，這些群體模式在同一群體內(nèi)的不同神經(jīng)元之間似乎相當(dāng)一致，這意味著你有可能僅從任意一部分被記錄的神經(jīng)元中恢復(fù)出完整的神經(jīng)過程。此外，這些群體活動(dòng)模式在執(zhí)行相同運(yùn)動(dòng)行為或在相同環(huán)境中導(dǎo)航的不同個(gè)體之間也是保持一致的。在相關(guān)任務(wù)之間，它們也往往是相似的，盡管神經(jīng)科學(xué)家目前還無法事先判斷何時(shí)會(huì)如此、何時(shí)不會(huì)如此。既然大腦功能可以用群體活動(dòng)模式來很好地描述，而這些模式既可以從同一群體中完全不同的神經(jīng)元子集恢復(fù)出來，又在個(gè)體之間保持不變并在相關(guān)任務(wù)之間表現(xiàn)出相似性，那么支撐神經(jīng)基礎(chǔ)模型的強(qiáng)大統(tǒng)計(jì)機(jī)制就能夠通過整合不同個(gè)體和任務(wù)的數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)這些不變性和共性。換句話說，近期的神經(jīng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)解釋了為什么神經(jīng)基礎(chǔ)模型理應(yīng)有效，而且確實(shí)有效。

除了整合這些近期發(fā)現(xiàn)之外，神經(jīng)基礎(chǔ)模型還是強(qiáng)有力的工具，它們將使我們——并且已經(jīng)在使我們——能夠從至少兩個(gè)主要方向上學(xué)習(xí)關(guān)于大腦的新知識(shí)。

首先，神經(jīng)基礎(chǔ)模型可以幫助我們通過持續(xù)量化——甚至可能“定性化”——那些介導(dǎo)行為的活動(dòng)模式的組織方式，從而加深對(duì)神經(jīng)群體“語言”的理解。例如，我們可以利用這些模型來刻畫不同神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)疾病如何改變神經(jīng)群體活動(dòng)。神經(jīng)基礎(chǔ)模型還可以幫助我們定義，不同解決同一有趣任務(wù)的方式——比如玩同一局俄羅斯方塊——如何影響神經(jīng)群體的集體活動(dòng)。最后，這些模型還提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，通過量化不同物種在神經(jīng)群體活動(dòng)上的相似性，來建立跨物種之間的聯(lián)系。這一研究方向?qū)τ谠谶M(jìn)化譜系中建立同源性關(guān)系至關(guān)重要，這種同源性不僅基于神經(jīng)解剖和行為譜系，也基于神經(jīng)功能?？紤]到許多神經(jīng)技術(shù)正是針對(duì)這種“系統(tǒng)層級(jí)”來緩解運(yùn)動(dòng)和精神疾病，在不同模式生物與人類之間建立活動(dòng)模式的相似性，可能會(huì)加速轉(zhuǎn)化研究，并產(chǎn)生巨大的社會(huì)影響。

其次，神經(jīng)基礎(chǔ)模型有可能幫助我們?cè)诓煌瑢蛹?jí)的大腦功能之間建立聯(lián)系，從神經(jīng)遞質(zhì)到單個(gè)神經(jīng)元，再到神經(jīng)回路和腦區(qū)。我一直在討論的那些神經(jīng)活動(dòng)的群體模式，毫無疑問是由神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)的，這意味著原則上可以將它們還原為其組成的神經(jīng)元——盡管它們是否能夠由這些組成神經(jīng)元“構(gòu)建”出來，是一個(gè)我在這里無法展開討論的關(guān)鍵問題。然而，一個(gè)重要的問題正在浮現(xiàn)：這些群體活動(dòng)模式的某些方面，是否可以與明確界定的神經(jīng)元子群之間建立可處理的映射關(guān)系？近期的研究表明，僅基于神經(jīng)活動(dòng)，就可以相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)某個(gè)神經(jīng)元記錄自小鼠視覺系統(tǒng)的哪個(gè)區(qū)域，甚至可以區(qū)分多達(dá)11種不同的興奮性細(xì)胞類型。這些引人注目的結(jié)果，是通過考察單個(gè)神經(jīng)元如何映射到神經(jīng)基礎(chǔ)模型所學(xué)習(xí)到的群體模式上得出的，這表明單個(gè)神經(jīng)元亞類與群體活動(dòng)之間確實(shí)存在可以被發(fā)現(xiàn)的映射關(guān)系。

我上面概述的這些機(jī)會(huì)令人振奮。然而，我們?nèi)匀徊恢郎窠?jīng)基礎(chǔ)模型是否能夠揭示出我們可以理解的行為神經(jīng)解釋。我的意思是，由于這些模型擁有大量參數(shù)，我們可能很難從中提煉出那種有助于思考的、簡(jiǎn)潔的心理表征，而這正是科學(xué)理解的特征。例如，我可以用牛頓定律向我的侄子解釋，為什么當(dāng)他把手臂和腿收緊時(shí)，在椅子上可以轉(zhuǎn)得更快，但對(duì)于神經(jīng)基礎(chǔ)模型而言，是否存在這樣一種壓縮后的描述，可以將其特征映射到行為上？還是說，它們最終只會(huì)停留在強(qiáng)大的預(yù)測(cè)機(jī)器這一層面？

另一個(gè)迫在眉睫的問題是，是否能夠在多種行為之間整合全腦記錄。迄今為止的大多數(shù)研究，集中在某一腦區(qū)在相對(duì)相似任務(wù)中的表現(xiàn)，或者在同一任務(wù)或行為中一系列相關(guān)腦區(qū)的活動(dòng)，當(dāng)然，這一問題實(shí)際上對(duì)整個(gè)神經(jīng)科學(xué)的各個(gè)分支都同樣重要。要實(shí)現(xiàn)這一總體目標(biāo)，一個(gè)根本性的挑戰(zhàn)在于，對(duì)于像當(dāng)前神經(jīng)基礎(chǔ)模型這樣既“吃數(shù)據(jù)”又“吃參數(shù)”的模型，我們是否會(huì)陷入博爾赫斯所預(yù)見的情形：在他的短篇小說《論精確性之科學(xué)》（On Exactitude in Science）中，一個(gè)制圖師社會(huì)繪制出了一張與帝國一一對(duì)應(yīng)的完美地圖，但卻無人關(guān)心，因?yàn)槿藗儫o法從這樣一張與現(xiàn)實(shí)同樣細(xì)致的地圖——對(duì)我們來說，也就是模型——中學(xué)到任何有用的東西。

最后，我所討論的這類神經(jīng)基礎(chǔ)模型并沒有身體。有人或許會(huì)認(rèn)為，從原則上講，通過身體對(duì)世界進(jìn)行感知和作用，可以被抽象為某種“變換”，在擁有足夠神經(jīng)和行為數(shù)據(jù)的情況下，這些變換是可以學(xué)習(xí)的。然而，究竟多少數(shù)據(jù)才算“足夠”？我的直覺是，這個(gè)問題在實(shí)踐中可能會(huì)變得難以處理。因?yàn)檫@不僅僅是學(xué)習(xí)復(fù)雜變換的問題——例如從視網(wǎng)膜到外側(cè)膝狀體再到初級(jí)視覺皮層（V1），或者從運(yùn)動(dòng)皮層輸出到脊髓回路、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，最終到運(yùn)動(dòng)本身——還在于這些變換依賴于許多因素，比如自上而下的調(diào)制、注意力、投入程度、身體狀態(tài)，甚至可能包括個(gè)體的發(fā)展軌跡和終生經(jīng)驗(yàn)。正是這種挑戰(zhàn)，推動(dòng)了關(guān)于大腦—身體—世界交互回路的基礎(chǔ)模型研究，這類模型有可能將這些因素與神經(jīng)群體真正“在做什么”區(qū)分開來。

當(dāng)然，即便我們無法理解神經(jīng)元、它們的群體活動(dòng)以及所揭示的行為之間的關(guān)系，神經(jīng)基礎(chǔ)模型仍然可能是有用的。例如，這些關(guān)系可以被用于開發(fā)新的神經(jīng)技術(shù)，這些技術(shù)“知道”應(yīng)當(dāng)針對(duì)哪些神經(jīng)元，從而將群體大腦活動(dòng)從疾病狀態(tài)中引導(dǎo)出來，帶來新的治療方法。也許通過借助機(jī)器學(xué)習(xí)中的一些技巧，我們甚至可以避免落入博爾赫斯式制圖師的陷阱，使神經(jīng)基礎(chǔ)模型成為一種有效描繪大腦功能的新工具。歸根結(jié)底，只有在探索這片未知領(lǐng)域的過程中，我們才能發(fā)現(xiàn)神經(jīng)基礎(chǔ)模型是否能夠真正改變——并非雙關(guān)語——神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)技術(shù)。

作者：Juan Gallego

譯者：EY

https://www.thetransmitter.org/neuroai/why-neural-foundation-models-work-and-what-they-might-and-might-not-teach-us-about-the-brain/