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楊天明 中國科學院神經科學研究所研究員 一席第701位講者
我們研究大腦怎么做抉擇,這也可以探索我們到底有沒有自由意志這個東西。

大家好,我是來自中科院神經科學研究所的楊天明。

我們都知道大腦是一個非常神奇的機器,它可以在非常復雜的環境當中,利用一些模糊的信息來幫助我們做抉擇。想象你在一個非洲草原上,一堆雜草后面突然出現一個陰影,你的大腦需要在很短的時間里,判斷這個陰影是一個兇猛的野獸,還是一個沒有任何威脅的小鹿,然后你可以做出決定,應該逃走還是繼續游覽。

這種能力幫助我們在千百萬年的進化過程中存活下來,但我們目前對它的了解卻很有限。這就是我今天要跟大家聊的主要內容。

我們知道大腦分成了很多不同的區域,有些區域負責視覺,有些區域負責聽覺,那大腦中是不是有一個區域負責我們的抉擇呢?是不是如果這個區域受到損傷,我們就沒辦法做很好的決定呢?

為了解答這個問題,我們先從一個神經科學界的歷史名人說起,他的名字叫做菲尼斯·蓋吉。 

蓋吉是19世紀的一個美國鐵路工人。大家肯定覺得很奇怪,一個鐵路工人為什么會變成神經科學領域的名人呢?這是因為有一年,他在工地工作的時候很不幸地發生了一個事故,他裝填的炸藥突然爆炸了,他手里的一根鐵棍因為爆炸飛出,穿過了他的整個頭部。是他事后拍的一張照片,他手里拿的這根就是當初穿過他頭部的鐵棍。

后來醫生、科學家重建了當時發生的場景,發現這根鐵棍是從他的眼眶下面自下而上穿過他左側的大腦。

但不幸中的萬幸是,這根鐵棍非常直,而且沒有任何毛刺,邊緣非常光滑,因為這個爆炸的力量相當大,所以整根鐵棍以非常快的速度穿過了大腦,產生了一個相對比較整齊的創傷,沒有對大腦的其他部位造成損害。所以他受到的傷比較有限,最后存活了下來。

不過,他大腦前部很大的一塊都已經被破壞了。而大腦的前部,也就是圖中紅色的部分,被稱作前額葉,是我們人類高級認知的中樞。這個人雖然活下來了,但前額葉這么大一塊受到創傷,他是不是就變成傻子了?

但很有趣的是,在經過一個短暫的恢復之后,醫生給他做了各種鑒定,發現他的智力水平跟正常人沒有什么不一樣。他還可以看書寫字,還可以做數學題,表面上看起來他似乎完全正常。

但是如果你是他身邊親近的人,你就會發現他似乎完全變了一個人,尤其是他的性格發生了很大的變化。在事故之前,他是一個十分和藹可親,大家都喜歡的人,但是在事故之后,他變得非常暴躁,非常容易生氣。他有時候會很高興,有時候又會發狂,反復無常。而且更重要的是他變得非常冷漠,他不能體會到別人的感受。他的情感這一塊產生了很大的問題。

除此以外,他在抉擇方面也出現很大的問題。在受傷之前,他在工地擔任一個小工頭的角色,所以他負責規劃每天每個人在工地上的工作。但在他受傷之后,他失去了這種規劃的能力,他做事由以前的井井有條變得雜亂無章。他有時非常固執聽不進別人的意見,有時做決定又非常猶豫,不知道應該怎么辦,所以他很快就丟掉了工作。 

可能大家會覺得非常奇怪,蓋吉的大腦在事故中受的這個傷,為什么會同時在情感跟抉擇這兩個方面對他造成影響呢?那我們就要從他受傷的這個部位說起。 

我剛才說了,大腦的前額葉是我們人類的高級認知中樞。人的前額葉比猴子、黑猩猩、大猩猩之類的要發達很多,被科學家認為是我們比其他動物要聰明很多的原因之一。而前額葉當中一個非常重要的部分,就是我這邊畫出來的眶額葉。

眶額葉是一個非常有趣的區域,它在大腦中可以接收從感覺系統傳來的感覺信息,比方說視覺信息,同時它還是大腦獎賞環路的一部分,它接收到關于獎賞的信息。通過把兩方面的信息整合在一起,它能夠告訴我們,我們現在看到的、接觸到的東西,對我們來說有多少價值,有多大好處,幫助我們做出判斷和抉擇。

在我們實驗室就做過這樣一個實驗。我們在猴子的大腦中埋入非常細小的電極,它們的直徑只有100微米左右,它可以告訴我們猴子單個神經細胞的活動,然后通過對它的記錄,我們就可以知道在猴子做思考做抉擇的時候,大腦的神經細胞在做什么。

在這個實驗里,我們首先會在屏幕上給猴子看一些圖片,比方說五邊形,然后在猴子看完圖片之后我們會給猴子一些果汁喝。這樣經過幾次重復之后,猴子就知道這個五邊形是個好東西,每次看到它就有果汁喝。

我們再訓練猴子看別的圖片,比方說菱形。區別是,每次看到菱形之后,我們會給猴子一大堆果汁喝。這樣經過學習之后,猴子就會知道菱形是比五邊形更好的一個圖形。

猴子在看這些圖片的時候,我們去記錄它的眶額葉神經元的活性。大家知道,神經元的編碼信息是通過發放電脈沖來進行的,在這邊我用短直線來表示電脈沖。如果一個神經元它很興奮,它就會發放很多電脈沖。

我們發現,如果猴子知道它正在看的圖片代表很多果汁獎勵,價值比較高的時候,眶額葉有一部分神經元就會變得特別興奮。如果猴子看到一張圖片帶來的獎勵比較少,價值比較低的時候,這些神經元的活性就會不那么強。

也就是說,如果我不知道這些圖片是什么意思,我只要去看猴子大腦里眶額葉這類神經元的反應就會知道這個圖片對猴子的價值是高還是低。通過這種方式,大腦就可以對獎賞的大小進行編碼

當然平時在生活中,肯定不會像實驗這么簡單就能夠判斷一個東西是好是壞,眶額葉其實要做非常復雜的計算。而且非常有意思的是,眶額葉做計算的這個過程其實不是我們能夠主觀體驗到的,它是個黑箱操作的過程。這是什么意思呢? 

比方說我給大家看這么一張照片,一個小朋友。大家的感受是什么?你可能會說這是一個比較可愛的小朋友,看到他會比較高興。至少我希望大家是這么想的,因為這是我們家的小朋友。

但如果我問你,為什么覺得這個小朋友比較可愛?你可能會說,他有圓圓的小臉,大大的眼睛,他張著嘴吐著舌頭,露出小白牙微笑的樣子,看起來還蠻可愛的。 

但如果你仔細想一想,得到“可愛”這個印象的時候,你是不是用剛才的這些邏輯推理出來的呢?肯定不是,你的大腦不需要這樣一步一步地分析來得到這個結果,它一下子就會告訴你,這個小朋友挺可愛的。

同樣這家伙也是張著嘴吐著舌頭,你肯定不會覺得它可愛。為什么呢?你肯定不會說我仔細計算了它的牙齒有多少顆,它的嘴張得有多大等等。

也就是說不需要經過邏輯的推斷,眶額葉就可以對這個東西做出評估,但這個評估的過程其實我們是感受不到的,這也就是為什么說眶額葉是一個黑箱操作的原因。 

所以眶額葉做的事情,就是把感覺信息做一個綜合評估,然后用評估結果幫助我們做抉擇,另一方面,評估的結果給我們造成了主觀的體驗,也就是通常所說的情感。如果我們覺得恐懼,那是因為評估系統告訴我們這個東西是應該值得恐懼的。換句話來說,情感跟抉擇之間并沒有一個因果關系,它們只是評估系統的兩個輸出而已。

這樣,蓋吉在抉擇和情感兩方面的障礙就很容易解釋了。

評估系統的工作有一部分是依靠與生俱來的能力,但還有一些是需要經過長期的訓練培養出來的,同樣可能依賴于非常復雜的計算。打個比方,想象一下如果你是這個足球運動員,球在你的腳下,你要進攻,接下來你會怎么辦?你會把球傳到左邊去,還是右邊去,還是自己再帶一下看看情況呢?

我們通常說,一個天才足球運動員不僅技術好,很會帶球,很會射門,還有非常重要的一點就是,他需要有一個非常好的大局觀,根據場面知道接下來應該怎么做,這就是眶額葉做的事。經過長期訓練,可以讓評估系統在非常復雜的環境下,用非常短的時間做出一個正確的選擇。

那如果大腦中有這么強大的一個評估系統,我們是不是就永遠不會犯錯呢?其實并不是這樣的。評估系統的一個問題就是,如果你想要它變得非常強大,就要不停地去訓練它,不停地學習,不停地鍛煉它,但一旦訓練完成之后,評估系統就會形成一個定勢思維,它經常會讓你用一個固定的思路去思考問題。

有些腦筋急轉彎就會經常挑戰你的定勢思維。比方說這個問題,誰能跳得比山高?

它的答案是,山是不會跳的,所以我們誰都可以跳得比山高。為什么剛開始可能想不到這個答案呢,因為這句話其實是有歧義的。

它可以理解為跳的高度要比山高,但是它也可以理解為你和山跳起來的高度誰更高一些,正常情況下,根據定勢思維,你不可能讓山去跳一下,所以評估系統就直接把第二種可能性給過濾掉了。你要是回過頭來思考第一種可能性,誰能跳得比山的高度高,那顯然就不會得到正確答案。所以說,大腦的評估系統帶來的一個定勢思維,有時候反而會對你做出正確判斷造成一些障礙。

還有一些場景,對大腦的評估系統來說也是一個問題。比方說去超市買飲料,選擇非常多,很可能會迷失,不知道應該選什么。當你有非常多的選擇時,評估系統其實不能一下子幫你很快地做出抉擇。

那通常你會怎么做呢?我不知道大家是怎么選的,但如果我去超市買飲料,我會先從貨架上拿起一瓶飲料來,把注意力集中在這一瓶飲料上,看一下它的口味、顏色、卡路里、成分之類,然后做出一個對這瓶飲料的評估。接著,我會再把注意力切換到另一瓶飲料上。通過幾次注意力的切換,我在評估過若干個選項之后,就可以根據這些評估結果做一個綜合判斷,選定想要的飲料。

換句話來說,大腦當中存在著另一套系統,它可以通過注意力的切換來引導我們的評估系統,逐一地對面前的各項選擇做出評估,我們把這個系統叫做推理系統

推理系統位于大腦中的哪個位置呢?我們現在還在研究,在領域里目前沒有一個確定的答案,但我們知道,至少在前額葉中有一個叫背側前額葉的子區,對推理系統非常重要,它負責引導注意力,告訴我們現在注意力應該放在哪里,怎么綜合信息來做出判斷。

推理系統相對于評估系統來說有一個特點,它不是黑箱操作的,你在做思考的時候是非常有邏輯的,可以一步一步地來,知道先做什么再做什么,就像剛才選飲料的過程,這當中有一個邏輯關系,主觀上是可以感受到的。一旦出了差錯,也可以從推理的角度來進行反省,究竟哪里出了問題。所以我們的推理系統非常靈活,很善于學習。

有意思的是,當你在做這樣的推理時,大腦中就有那么一些神經細胞、神經元,會忠實地反映你推理的過程。在我們實驗室也有一些實驗,專門研究大腦中的這些神經元。

舉這樣一個例子,還是足球。比方說法國隊跟阿根廷隊,他們在去年世界杯的八分之一決賽的時候相遇了,在比賽之前如果讓你猜哪支隊會贏,你會怎么做呢? 

你需要首先分析一下現有的信息。比方說阿根廷隊有世界級明星梅西,那這個證據可能偏向于阿根廷隊贏多一些;法國隊的球員比較年輕,比較有沖勁,活力多一些,這又偏向了法國隊。

在這個過程中,你掌握的每一條信息都不能百分之百地告訴你這個勝負關系是怎么樣的,每一條信息都有用,要把它們綜合在一起,才能得到最好的結果。數學上可以用概率來代表這些信息的含量,所以像這類問題就叫做概率推理。

我們在實驗室中怎么研究這類問題呢?我們給猴子做一個簡化版的概率推理任務。我們在電腦屏幕上放兩個小點,一個紅點,一個綠點,讓猴子猜它選擇哪一個是正確答案,猜對了就可以得到果汁的獎勵。

那猴子猜的依據是什么呢?我們會給它看一串圖形,每個圖形告訴猴子,綠點紅點是正確答案的可能性各是多少。圖片依次出現,證據不停累積,有時候甚至可以發生反轉,然后我們去記錄猴子大腦中的神經細胞,研究一下猴子的大腦是怎么做推理的。

我們還是用短豎線來代表神經細胞發放的電脈沖。如果你看見有很多短豎線的話,就代表這個神經元特別興奮,如果是比較少的豎線,就代表它的活性受到了抑制。下面請大家看一下,這個視頻非常短,要集中一下注意力。視頻中“嗒嗒嗒嗒”的聲音就是脈沖的聲音,我們做實驗的時候,就是通過傾聽這樣的聲音來感受神經元的脈沖的發放的情況。

大家可能覺得這個視頻播放得太快了。可是在真實的實驗場景中,猴子在做抉擇的時候,這個圖形就是這么飛快地過去,每張圖形在屏幕上只出現半秒,而猴子非常聰明,經過學習,的確可以完成這個任務。 

一開始前三個圖案偏向綠色,這時候神經元的脈沖就非常稀疏,直到第四個圖案,證據稍微反轉了一些,神經元就突然變得興奮一點,然后又反轉成綠的,神經元又變得不太興奮,然后又反轉成紅的,神經元突然就又變得非常興奮。最終的證據支持紅色是正確的答案,猴子也做出了正確的抉擇。

猴子在做選擇時思考的過程,我們其實是沒有辦法直接從它的外表和行為來觀察到的。但是通過記錄這個神經細胞的脈沖活動,我們就可以知道在這個思考過程中,猴子的大腦的確是根據證據一條一條地在進行累積,進行推理。猴子可以做這么復雜的概率問題,是因為大腦有一個非常強大的推理系統

如果推理系統這么有邏輯這么好,總能幫助我們做出正確的決定,那為什么不所有的事情都用推理系統來做呢?

原因是推理系統有一個巨大的缺陷,就是效率低,速度慢,還燒腦子。回想一下剛才那個恐龍的例子,如果是推理系統在全權負責判斷出現在你面前的這個生物是好是壞是不是有威脅,你就要去分析這個恐龍的牙齒有多尖,嘴巴張多大,流的口水多不多,眼睛是不是看見你了等等。等你把這些因素都考慮完了,恐怕你也已經被吃掉了。所以,我們的大腦單單靠有著高度邏輯的推理系統是不行的。 

因此大腦的評估系統和推理系統的配合很重要。即使是在一些通常我們覺得非常需要邏輯思維的場景,大腦的評估系統也起到了關鍵作用。

舉個例子,比方說圍棋,圍棋是一個非常考驗智力的游戲,因為圍棋的棋盤上有非常多的可能性,如果要在三步之內把所有的可能性都算到,就有超過上百萬種的變化。人腦是不可能做到的,非但人腦不可能做到,現在世界上最強大的計算機都做不到在下圍棋的時候進行完整的推理。

那我們是怎么下圍棋的?我們下圍棋的時候其實只會算非常少的部分,包括世界冠軍也是這樣,他們會運用“棋感”來決定現在棋盤上面哪些位置是最重要的位置,他只在這些很少量的位置上去算棋。 

什么是棋感,這其實就是我們大腦里黑箱操作的評估系統。我們不清楚中間的過程是什么,但它非常高效,可以把復雜的盤面算出來,告訴我們盤面的狀況如何,哪里是最關鍵的位置需要進一步考慮,然后我們就可以運用推理系統進行進一步思考。這要經過長期的訓練才能完成,這也是為什么圍棋高手比我們要強很多的原因。

所以下圍棋很好地體現了我們大腦內兩個系統分工合作的例子。現在的人工智能系統也采用了類似的方法,比方說谷歌的阿爾法狗。大家知道2016年的時候,它和當時的世界冠軍李世石比賽,4:1獲勝。它后來又進一步進化了,現在已經沒有人可能在阿爾法狗面前贏上哪怕一盤。

阿爾法狗這個系統是怎么回事呢?它其實就是借鑒了剛才說的推理和評估兩個系統的結合。它也會算棋,它是用一種搜索的算法,但最關鍵的是,它有一個非常強大的評估系統。

因為即使是計算機也不可能把所有的步數給推算出來,所以谷歌用了一個現在最流行的深度學習的技術,來為阿爾法狗做了一個評估系統,這樣它推算到某一步的時候就不用再算下去,這個評估系統會告訴它局面是好是壞。評估系統再加邏輯系統的結合,就幫助它可以去戰勝世界上最強的人類棋手。

說到現在,我們知道大腦當中做抉擇的有推理系統、評估系統,然后這兩者結合可以幫我們達到速度和準確度的一個很好的平衡,同時用這些理論可以造出來非常強大的人工智能系統。

當谷歌阿爾法狗的新聞出來的時候,有些人會產生一個恐懼感,會想現在的人工智能這么厲害,是不是馬上就要統治人類,會打敗所有的人呢?但大家仔細想一想,現在的人工智能其實非常弱,比方說我自己一直幻想的能幫我做家務的機器人,到現在還沒有人做出來。

這一類的機器人為什么這么難做呢?它跟谷歌的阿爾法狗有什么差別呢?其實像谷歌阿爾法狗這一類圍棋系統,它要解決的是一個非常有局限性的問題,輸入、輸出還有規則都非常清晰,它的評估系統相對可以做得比較完善。

但是如果是一個家務機器人,它要處理真實環境當中的真實問題,它的評估系統就是一個開放式的,會非常復雜,現在的人工智能還沒有能力做這么好的評估系統。哪怕我們的計算機可以每秒鐘算上上百萬億次的數學推理,它都無法完成這樣的任務。這也是現在人工智能未來的一個發展方向,要做一個更加通用的智能,而不是把問題局限在一個小的方面。我們對抉擇的研究,也可以在人工智能的這些研究方向提供幫助,未來可以改善我們的生活。

除此之外,我們的研究還可以給我們帶來一些什么東西呢?對我來說,它可以幫助我們理解一些關于大腦更深層次的問題,包括一些困擾了人類很久的問題。比方說,什么是意識?這是困擾了人類上千年的問題,很多哲學家試圖來解釋什么是意識,我們為什么會有意識。

剛才我提到過,抉擇的這兩個系統,有一個系統是黑箱操作。黑箱操作在很大程度上就是我們意識下層面,意識下層面的操作我們不知道它是怎么工作的,而推理系統相對來說是在意識上層面的,我們可以意識到推理系統是怎么工作的。所以針對評估、推理系統兩個系統的研究,對它們進行比較,分析什么時候是哪個系統在工作,可以很好地幫助我們來了解意識的一些問題。

還有另外一些有趣的問題,比方說,我們到底有沒有自由意志?我們通常定義的自由意志是什么呢?我們每天做出各種抉擇,它可能是由一些外部的刺激引起的。比方說我中午吃面還是吃餛飩,可能是因為面看上去比較吸引人,所以我選擇了吃面,或者是因為我早晨吃過餛飩了,所以我選擇了吃面。像這一類的抉擇,你可以說影響我抉擇的全部原因都是外界給我的刺激,或者說過去某一段時間的記憶,記憶追根溯源同樣也是外界的刺激造成的。

但有人不同意,有人會覺得我們是有自由意志的,也就是在我們內心當中,在我們的大腦當中還有一個我,它可以獨立于這些外界刺激來幫助我們做出抉擇。這個問題聽起來很玄,但它其實在道德層面,甚至法律層面都有意義。比方說一個人犯了殺人這樣的罪行,你要給他定罪,如果你認為人沒有自由意志,他可以說我之所以殺人完全都是因為外界刺激所造成的,不是我自己的選擇。

自由意志歸根到底是一個抉擇的問題,我們研究抉擇,我們去看抉擇是怎么做出來的,是由外界刺激造成的,還是外界刺激加記憶,還是再加某些我們說不清楚的東西造成的抉擇,這樣可以幫我們探索,我們有多大程度上存在,或者不存在自由意志這個東西。

好,我今天講的就到這里,謝謝大家。

+完整演講稿
你在做抉擇的時候,大腦是怎樣工作的?
#科技 /杭州/2019.06.15
我們研究大腦怎么做抉擇,這也可以探索我們到底有沒有自由意志這個東西。
評論(55)
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0 0
話說蓋奇事件不是從顴骨下方穿入頭部又從眉骨上方出去的嗎?
2019/08/24
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132****2188
0 0
邏輯能力是一個宏觀概念,不能用理科、文科粗暴地區分吧?
2019/08/22
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132****2188
0 0
燃!中國的科技解說如果都能做到如此清晰、簡明,孩子們還能不愛科學么?!
2019/08/22
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kuoo
0 0
邏輯真的好清晰呀,而且說的那個幾何作輔助線,真的很準了,厲害!
2019/08/19
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