神经学家的万物理论
卡尔·弗里斯顿想让我知道他有很多时间。那不完全是真的。他只是不想让我们的谈话--关于他的激情，精神生活的物理学--结束。一旦做了，他就得走出去，抽支烟，然后直接回去给新冠肺炎当模特。我在下午6点抓住了伦敦大学学院的神经学家，这是他的时间，就在他刚刚坐在一个与COVID相关的新闻发布会的小组会议上。他为还打着领带道歉，而且似乎很感激我提供了一些“轻松的解脱和分散注意力”。
十年前，弗里斯顿发表了一篇名为“自由能原理：统一大脑理论？”的论文。它阐明了大脑作为编辑者的概念，不断最小化、“挤压”来自外部世界的输入，并在这个过程中平衡世界的内部模型与感觉和感知。在弗里斯顿看来，生活就是最大限度地减少自由能。但这不仅仅是大脑的景象。它更像是一种关于一切的理论。弗里斯顿的自由能理论几乎让你的大脑着火，当你读到它的时候，它已经成为神经科学界被引用最多的论文之一。今年5月，弗里斯顿发表了一篇名为“知觉与意识起源”的新论文，将他的观点带入了新的知识领域。
弗里斯顿目前是惠康信托首席研究员和惠康信托神经成像中心的科学主任，他发明了统计参数图，这是一种大脑扫描技术，使神经科学家能够以前所未有的方式评估特定大脑区域的活动及其在行为中的作用。他正在帮助做出的关于大脑本质的发现源于一位精神病学家对患有慢性精神分裂症的患者的关注。弗里斯顿说：“我们在因果建模、数据分析和成像科学方面的大多数实际工作都是由精神分裂症研究推动的，实际上也是由精神分裂症研究资助的。”“几十年来，这一直是我生活和职业生涯的核心部分。”
弗里斯顿研究的应用是实实在在的，对精神疾病、脑成像以及现在的新冠肺炎大流行做出了重大贡献。然而，冒险进入它们背后的理论，就像是穿越一片充满迷人、有时令人迷惑的概念的丛林。弗里斯顿的想法在我的雷达上已经有一段时间了，所以我很兴奋能直接参与进来。他是一位热情的导游，带领我们参观了当今科学中一些最激动人心的话题，从意识到量子物理再到迷幻。
在“自由能源原则”中，你写道，世界是不确定的，充满了惊喜。你争辩说，行动和人类的感知都是关于最大限度地减少惊喜。为什么事情--包括我们在内--要尽量减少意外，这一点很重要？
如果我们现在最小化惊喜，那么随着时间的推移，我们就会最小化平均惊喜，也就是平均熵。如果一个恒温器可以相信它的世界是什么-它可能会说，“我的世界生活在22摄氏度”-所以任何来自它的热感受器的感觉信息都是令人惊讶的。然后，它将对世界采取行动，试图将这种惊喜降至最低，并将预测误差恢复到零。你身体的动态平衡也在做同样的事情。
你当然可以这么说。但我不会这么说。这并不是说大脑有存在的目标。它就是存在的。看起来它似乎有一个存在的目标。现有是什么意思？它总是可以在那个配置中找到。大脑必须以一种它知道下一步会发生什么的方式对世界进行采样。如果没有，你会充满惊喜，你会死的。
变分自由能基本上是一个令人惊讶的量。这是人生的终极目标--功能。为什么自由能和惊喜之间有区别呢？假设我让你们写下产生油滴的微分方程。你想要设计一个油滴，然后在亚马逊上出售。你现在必须写下运动方程，梯度上的流动，其中这些梯度是由惊喜定义的，而惊喜定义了表征油滴的可能空间。问题是，当你评估那个惊喜，那个势能时，它在数字上是不可能做到的，因为这些感官数据可能是以各种不同的方式产生的。这不是你试图设计亚马逊油滴就能实现的。
有一种方法可以做到这一点，这是由物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)发明的。他在量子电动力学方面也有完全相同的问题。他想评估这个电子从准备好的初始状态到某种最终或结束状态的所有方式的可能性。事实上，一个粒子可以走的路径数是无限的。费曼面临着一个巨大的问题。他想要计算最可能的电子路径，但他不能评估粒子从这里到这里的所有可能的方式，更不用说开始查找最可能的路径了。
所以他提出了这个版本的变分自由能，它本质上是一个数学量，总是大于惊喜。如果你挤压或减少自由能，你可以很容易地测量，你可以做你的梯度下降，并到达自由能的底部。费曼有效地做了一件事，就是用一个容易处理的优化问题取代了一个不可能的集成问题。如果你想模仿自组织，你必须把问题从世界运转的方式改变成近似世界运转的方式，并制定一个优化方案。
你可以看到为什么自由能开始在阐明这些关于大脑如何工作的想法中起到关键作用。很可能不只是理查德·费曼意识到这是非常高效和有效的自我证明的方式。可能进化也意识到了这一点。这个最小化费曼变分自由能的变分技巧已经安装在我们身上了。
它的成就是不可否认的。在举办了一些历史学家所说的人类历史上最伟大的财富创造之后，1旧金山湾区在2012年是美国增长速度最快的地区，2是人均国内生产总值(GDP)最高的地区，3.。多读。
马尔可夫毯子的想法在你最近发表的关于意识起源的论文中有所体现。马尔科夫是谁，这条毯子是以他的名字命名的吗？
安德烈·马尔科夫是统计学和概率论的鼻祖之一。马尔可夫毯子的概念出现了，不是在意识研究中，甚至也不是真正在神经科学中-它比这更基本。任何事物都必然以马尔可夫毯子的形式存在。因为如果不是这样的话，你就不能测量出任何区别于其他东西的东西。这绝对是至关重要的。如果某个东西没有马尔可夫毯子，它就不存在。从系统神经科学的角度来看，马尔可夫毯子是工具箱中的一个新的和重要的东西，它允许你用不同的微积分和不同的语言来揭开神秘面纱，用不同的语言谈论感觉等事情。
让我们回到我们的油滴。想象一下放在一杯水里。我们的议程是理解，“为什么油滴会挂在一起？它为什么要抗拒呢？“。这种趋势是液滴被分散、溶解、消散，并将其所有分子分布在溶剂周围。因此，某些东西或系统有一些特别之处，比如油滴，它们设法将自己与宇宙或它们所沉浸的环境区分开来。
马尔可夫理论有助于解释事物是如何存在的--但它到底是什么呢？
马尔可夫毯子是内外之间的一个可渗透的界面，是双向的交换。外面的东西--环境、宇宙、热水浴--通过马尔科夫毯子的感官部分影响着内部的情况。马尔科夫毯有感官和活动两种状态。外面的东西，外部的状态，影响毯子的感觉状态，毯子的感觉。而毯子内部的物质，内部状态，会影响毯子的活动状态。活跃的状态结束了因果关系的循环，或者，如果你愿意的话，它们通过作用于外部状态来揭示内部发生的事情。有了这个数学结构，你可以比20世纪的物理学走得更远，那都是关于平衡统计和热力学的，你应该在学校里学到的那种物理。这其中隐含着这样一个概念，即你得到了一个孤立的或封闭的系统。它隐含地假设了马尔可夫毯子。
你可以开始解决大多数物理学人-不是大多数人，但那些更具冒险精神、有时间和金钱去做这件事的人-想要问和解决的问题。也就是说，“当事物暴露在外面的东西中时，它们是如何自我组织的？”换句话说，开放系统。远离平衡的系统-尽管它们与环境交换，但仍保持非平衡稳定状态的系统。我们是完美的例子，这些事情似乎会随着时间的推移而存在，尽管外面的世界在波动、变化和反复无常。
你的工作似乎使感知物理学成为可能。我们真的能量化支配我们思想的力量吗？
完全正确。力只是梯度的表达式，而梯度是决定状态流动的结构。例如，你可以把重力想象成一种力，或者是引力势的梯度流。我现在变得有点抽象了，但我认为这是重要的，也是揭开神秘的一句话，当你有意识地倾听我所说的话时，产生导致你所有神经活动的力量的势能函数，都可以写成流动在势能上，我感觉到的概率的对数，处于特定状态的可能性的对数，给出了我对世界的模型。在我的世界模型下，我的感觉的概率的对数，处于特定状态的势能函数，都可以写成流向我的势能，即我感觉到的概率的对数，处于特定的状态，给定我的世界模型。
从数学上讲，考虑到马尔可夫毯子，这几乎是同义反复的情况。如果我有一个很好的世界模型，并且我不断地采样我预测和期望采样的东西，那么情况肯定是，内部的一切都在总结和最小化这种潜力。这在数学上意味着，考虑到我对正在发生的事情的理解或模型预测，最大化我的证据来证明这些感觉的可能性。这会把你引向这个不言而喻的概念，这只是“存在”的另一种说法。
好吧，你有点抽象了。你能把这种心理行为说得更具体些吗？
从信仰更新的角度来看，有一种非常好的方式来思考这一机制。因此，在贝叶斯统计的世界里，你会得到一些新的数据，然后在看到这些数据后，你会将你之前的信念更新为后验信念。你在吸收这些数据，更新它，然后修改和改变你的想法。根据手头的新信息改变主意称为信念更新。信念更新是衡量你在这个信息几何信息空间中移动的程度。如果你得到了很多改变你想法的新信息，那么你已经搬家很远了。这意味着这个新信息给你施加了很大的力量，很大的压力，让你改变主意。
另一方面，如果你感觉到的东西，比方说，你的脚底，没有传达任何信息，而且你没有改变主意，你就不会注意到它。除非你注意脚底的感觉，否则信仰不会更新。我觉得这很有趣：衡量你在这些信息几何中移动了多少，施加了多少力，或者这些梯度有多陡峭，把你拉向这个或那个方向，很大程度上取决于信息的精确度。正是这种精确度决定了这种心理行为。
它是导致你信念更新的力场的曲率或梯度的速率，从字面上看会导致神经活动的增加或减少。从数学的角度来看，它很好地结合在一起。如果你能开始选择能负担得起这类信息或那种信息的精确度，那么你就有了一点内心生活。
当我看着你的时候，我可以专注于我左边的灯，而不是移动我的眼睛。你是说能力是内在生命的基本形式的一种先决条件。意识到你拥有这种能力的能力是不是更丰富的内心生活的更进一步的一步？
绝对一点儿没错。你和我都有这样的假设，那就是我有这些定性的体验，和你交谈。是我在起诉这些精神行为。但这只是另一种假设，也只是现实的另一种表现。如果你开始把它放进去，那么你现在就离最低限度的自我更近了一步，它为机构和这些通过一些隐蔽的精神行为和内心生活积极构建的定性体验提供了所有权。
我必须清楚，我说的是一个物理学家应该说的话，因为我不是一个哲学家。这就是说，有一种用马尔可夫毯子来解释事物内部状态的表现主义解释。你可以说，在感觉、感知和主动推理方面，所有重要的东西都在里面。这是我们的神经活动，比方说，内部状态正在协商、依赖并影响组成我们感觉状态的全面状态，我们的感觉受体-如果你愿意的话，我们的感觉单元-以及通过行动改变那个感觉单元的方式。就像我的眼睛在触摸，采样世界以获得新的感官信息。这将意味着，你永远不可能透明地采样或了解外面的情况，从而产生那些感官全面的状态。你实际上可以对外部现实采取反现实主义的立场。你永远不会知道其中的区别。
马尔科夫毛毯支持那些质疑个体意识之外世界存在的理论吗？
不一定。如果你有一个马尔可夫毯子，从数学上来说，内部发生的事情必须与外部有某种形式的同步，这是正确的。任何在一个世界中生存并规范其与该世界的交流的系统都必须包含或包含该世界的模型。必须有一个现实，它同情并催生了这种自组织的概念，即包含内部状态的毯子的存在。
例如，如果我测量了你的视觉皮层中的某个神经元群体，我可以推断，因为这个特定群体的活动增加了，所以在你的视觉空间中，很可能会有一条视觉对比条穿过你的视觉接受野，在你的视觉空间的那个点上。因此，从某种意义上说，它化解了这场辩论。你有权采用反现实主义的观点，但在一天结束的时候，你必须承认，“是的，我只能这样做，因为那里有一些东西。”
这是安迪·克拉克非常困惑的事情，它是由大卫·查尔默斯提出的，这就是一个问题，“为什么我们对我们拥有定性经验的事实如此困惑？”一种通货紧缩的方法是说，“好吧，你致力于元问题本身。”什么样的感官，或什么样的生物，可能会被他们感知到的事实所迷惑？仅仅问这个问题就能提供一些非常有趣的见解。
一旦你的大脑有一小部分在部署内部行动，这就意味着你必须有不同类型的行动的表征。你现在有机会思考：如果我不注意这个定性的体验，比如说这个红色，会发生什么？很可能，拥有一个拥有这些反事实假设的大脑，就是解释哲学家为什么存在并提出这些问题所需要的全部。
这就把你带回了这个概念，即你谈论的任何事情实际上都只是对你生活的世界的一种解释。这是我所有这些感觉的最简单的解释，在我拥有的所有形式中。它不一定非得是真的还是假的。只要它是一个足够好的解释，让你的惊讶降低，自我证明又好又高-这就是需要做的所有事情。自我本身现在成了另一种解释。哲学家所说的任何事情也都屈从于完全相同的论点，包括品质。这些都是我理解我的感官数据和我在这个内在生活中的内在观点的最佳解释的体现。意识的最高形式是哲学家的大脑。
这是他们应得的。他们不仅有质量的内部表示，而且可以谈论它们，他们实际上有这种能力来创造一个有效的世界，在这个世界中，有可能没有质量。你开始有这样一个模棱两可的谜题：哦，如果没有质量是可能的，为什么我们会有质量呢？
好吧，假设你是一个从未见过其他哺乳动物的野性孩子。就不需要有自我的概念了。你和整个宇宙只会是一回事。但是，一旦你开始注意到其他看起来像你的东西，就必须解决一个问题，“是你做的还是我做的？”现在，作为你的生成模型的一部分，你需要有幻想的假设，幻觉-这可能是绝对正确的-还有其他像我一样的东西，我需要解决这个问题。我认为关于大脑被包裹的必要性的心理理论为我们为什么有自我提供了一个简单的答案。但回到你的问题上来，我认为，是的，对于我的生成模型来说，自我是另一个非常可信的假设，它为你的感官交流提供了最好的解释。
我读过你关于迷幻药的一些研究。他们对我们更新信仰的头脑做了什么？
迷幻剂作用于某些被称为神经调节剂的神经递质，并从字面上瓦解你的信念更新，将这些神经群体从证据和这一群体的影响中解放出来。现在，您将无法调用自我的高级表示来将您的定性体验限制在较低的抽象级别。你可能会体验到对自我的较低层次的幻灭，从字面上看，“自我”的表现现在可能无法影响体验。你可能会注意到生动的感觉，这些感觉现在会有不同的解释，而不是被以自我为中心的、以自我为中心的叙述粘合在一起。对于是什么引起了这种感觉以及是什么引起了这种感觉，你会有不同的解释。在一个生成模型下，所有这些都是完全合理的，在这个模型中，我们从一个处理级别去除了另一个级别的限制。如果真是这样，你现在就有了一个假设，如果我是我，还有另一个假设，我不是我。如果你开始剔除这两个假设的证据，那么你就制造了一个关于自我的巨大不确定性。你会得不到人格化，可能还会有一次糟糕的旅行。
当我年轻的时候，大部分是神奇的蘑菇。所以我已经经历了赫胥黎意义上的门。这是一种开阔心胸、启迪人心的经历，你永远不会理所当然地对现实一瞥。这是一台运转良好的推理机的礼物，它能在一个又一个幻想中产生恰到好处的幻想。当那种感觉消失时，你会真正了解它，你会意识到我们对感官的把握是多么精细，我们是多么的幸运地存在着。