大腦其實略懂「預知未來」?NATURE 新發表在視覺皮質發現「預測性編碼」的關鍵拼圖

  • 文/V. 瓦西里耶夫│日內瓦大學博士後研究員,23 歲獨自背著背包從亞洲跨越俄國歐洲來到美國,28 歲取得神經科學博士後重新回到路上;始終更喜歡穿梭亂入各種不同形貌的生活,浪跡各大洲 100 多個國家以尋找寫小說的靈感。撰寫臉書部落格「瑞士豬尾巴・神經科學界的V

一個畫面可以有多種解讀,真相永遠只有一個

很多時候,我們所見到的,與大腦對於這個世界的預期有著緊密的連結。用 Kanizsa 三角作為示範,即便我們可以確定此圖形僅是由三個缺角的實心圓形和三個銳角邊緣所組成,我們卻不可否認地知覺到一個白色的倒三角形,位於三個黑球和一個黑框正三角形之前,即便它不存在著可明確眼見的邊界。

Kanizsa三角是錯覺輪廓中的著名例子,通過幾何排列,讓人感知到白色三角形的存在。圖:Wikipedia

這個現象最早是由義大利心理學家 Gaetano Kanizsa 所描述,可謂「心有所想,目有所見」的範例。

過去有段時間裡,興起於 20 世紀德國的格式塔學派,又稱為完形心理學,將此現象歸功於人腦專司將感覺訊息彙整成最具完整性的運作原理;然而直到近代神經科學的蓬勃發展,才使得過去無法從生物上去證明的假說得以受到研究與辯論。

然而神經科學又是如何解釋:為何我們都看到白色的倒三角形,而不是其他各種可能的組合,例如一個白色正三角形周邊圍繞著三個小精靈(Pac-Man),抑或是一個異色六芒星前置於三個黑球?這也許涉及了大腦如何運作的終極大哉問。

大腦很在意外部感覺輸入和內部預期的落差

早在神經科學家能夠記錄神經元的訊號,並且發現大腦內有大量對於視野中移動訊息產生反應的神經元,過去的科學家就已經假設了人腦有偵測物體移動的能力;然而神奇的是,在我們用眼睛掃射周邊的當下並不會產生世界移動了的感覺。赫爾曼.馮.亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)於是推測,眼球運動期間沒有移動知覺,是由於自發眼球運動的訊號抵銷了整個世界在視網膜上產生的移動訊息;相對的,如果我們使用外力推動眼球,整個世界往反方向移動的知覺就會產生。這就是一個用行為實驗推敲大腦運作法則的成功案例。

一年多前,Georg B. Keller 和 Thomas D. Mrsic-Flogel 在這一篇文獻回顧中1清楚闡明了大腦對於外在環境的預測處理可作為解釋多重大腦功能的框架:皮質中負責預測誤差的神經元、負責內部表徵的神經元和其他抑制性的神經元合力組成了一個標準的計算單元

高級動物的大腦皮層是包裹在腦外側的連通皮狀結構,其中各類神經元共同組成標準的計算單元。圖:Wikipedia

而過去十年間,在小鼠初級視皮層的研究已經產出了許多支持的證據:部分神經元會受到不符合預期的光流(optical flow)大量活化,或者對於不符合預期的視覺刺激而劇烈反應。 而這些個別的結果都正逐步完成預測處理的理論藍圖。

大腦資訊傳播的另一種可能:預測性編碼

起源於計算機領域,預測性編碼(Predictive Coding)在神經系統的應用,是由 Rajesh P. N. Rao和Dana H. Ballard 所提出的2神經系統的連結在適應了外界規則後,會在各個階層比較訊息中沒有被預期的成分,並將這個精簡化的結果向上傳輸。

更且,在這篇論文中,他們利用電腦模擬建立以此前提而連結的多層次神經網絡,在讓這個模型對自然場景進行學習後,他們在初階層級發現的網路節點,與生物學家在視覺皮質中所記錄到的神經元,表現出相似的行為反應,例如對角度與明暗邊界的選擇性。

預測性編碼的優勢在於可以大量減少冗餘的資訊處理,僅僅傳輸跟預期不同的部分,並高效率地應用神經元有限的訊息傳遞量;畢竟自然環境中的信號大部分都是可預期的,而大腦在短暫瞬間可以處理的訊息量卻是有限的。

預測性編碼的優勢是精簡冗餘的資訊處理,能夠高效率應用神經元的訊息傳遞。圖:Wikipedia

即便過去科學家們經由神經生理紀錄而推理出「前饋(Feedforward)主導神經編碼」,即感覺訊號從周邊系統單向傳輸到大腦初級皮質進行加工;繼而認定感官系統的工作就是在大量冗餘的訊息裡篩選偵測出關鍵的訊息,例如邊界、物件甚至語義的表徵;然而在研究成果推陳出新之後,是時候討論預測性編碼的可能了。

NATURE: 科學家發現關鍵的一塊拼圖

近日,位在加州大學舊金山分校 Massimo Scanziani 的實驗室中,Andreas J. Keller 與其同僚在最富盛名的科學期刊《自然》上發表了一系列驚動感覺神經學界的研究成果3

一切始於 David H. Hubel 和 Torsten Wiesel 在五零年代研究貓的視覺皮質而發現「感受野」(Receptive Field),也就是視覺刺激能激發神經元活性的空間區域;並因此獲得 1981 年諾貝爾生理醫學獎的肯定。自此以後,通過研究從感覺器官一路向大腦傳輸訊息的經典前饋感受野,就成了感覺神經學界的圭臬。傳統經典的神經科學認為大腦的訊息傳播,類似於最早期計算機科學中的類神經網路,控制參數只會從輸入層向輸出層單向傳播,而不會反向傳播。

然而,這樣一套訊息處理的機制不免陷入對於反饋(Feedback)功能解釋模糊或者冗餘過剩的問題。

在Andreas J. Keller新發表的論文中,作者發現來自高級視覺皮層的反饋,在傳輸到小鼠初級視覺皮層中的興奮性神經元之後會產生另一個從未被找到的反饋感受野。除了在視野部分與前饋感受野互補,反應也相對緩慢;更重要的是,這個反饋感受野和前饋感受野有著拮抗的特徵,也就是神經只會對於其中一方存在時有所反應。因此,反饋感受野使得神經元能夠使用前饋感受野原先所無法偵測的周邊訊息作比較,並向上層報告整個視覺空間中刺激特徵的差異,而這就恰巧是預測性編碼的核心價值。

作者們在實驗方法上使用雙光子鈣成像技術,在頭部固定的清醒小鼠之初級視覺皮層記錄神經活性,並用改變大小的古典光柵視覺刺激(下圖上)來測量前饋感受野;其後再反其道而行地用一個全場光柵,其中一部分被灰色圓形遮蓋而產生反向刺激的方式(下圖下),測量反饋感受野。

圖源:Feedback Generates a Second Receptive Field in Neurons of Visual Cortex

前饋感受野和反饋感受野在受到均勻刺激時相互拮抗的現象,使其可被視作皮質中負責預測誤差的神經元;而預測性編碼迴路中關鍵的抑制性調節,將可能由其他鄰近的抑制性神經元處理。於是作者使用基因轉殖小鼠的技術標定了帶有三種不同基因的抑制性神經元群集:即小白蛋白(PV),血管活性腸肽(VIP)和生長素抑制因子(SOM);繼而發現反饋感受野只存在於表現出小白蛋白和血管活性腸肽的抑制性神經元中,因此證明表現出生長素抑制因子的抑制性神經元所扮演的拮抗調節腳色。

最後,作者使用抑制性光遺傳學技術(Optogenetics),將對光敏感的離子通道表現在欲控制的神經元上,並使用雷射加以個別操弄,選擇性關閉個別高級視覺區域的活性,繼而證明反饋感受野的訊息傳遞,是源自特定高級視覺區域的反饋而非來自視覺感官的前饋迴路。

總結來說,此研究中應用多種神經科學的新興技術,除了使用神經造影以及電生理紀錄來偵測大腦活性,更應用光遺傳學來操弄大腦活動以達成因果的討論,大大增加了支持證據的可信度。而此篇論文的重要性在於完成了預測性編碼理論的最後一塊關鍵拼圖,將此理論融合到了神經科學界最廣為研究的視覺皮質系統之中,因此將對於未來領域的發展有著革命性的影響力。

作者怎麼從幻想三角形看到未來呢?

回到最初關於 Kanizsa 三角的解釋,Keller 談到:「簡而言之,根據自然圖像的統計數據對我們視覺系統所進行的訓練,大腦的內部表徵是傾向偵測到完整的圖像之間互相受到遮蔽,而非四散的小精靈和銳角圖形。因此,當視覺皮層中的神經元沒有偵測到任何東西出現在前饋感受野時,就會根據周圍的刺激,即反饋感受野中的刺激做出最佳猜測。」

視覺皮層為大腦皮層中主要負責處理視覺訊息的部分,位於大腦後部的枕葉,圖為其中的初級視皮層、背側流和腹側流。圖:Wikipedia

而在古典的前饋式神經迴路架構之下,視覺皮層中的神經元就像一個個的空間過濾器,針對已存在於視野的部分邊界進行處理,而後經由複雜的周邊連結優先補足倒三角形的虛幻邊緣,才能在高級視覺區域突破雜訊繼而偵測到它的存在。然而這說法卻是有違直覺的;畢竟,我是無法說服自己有看到白色倒三角形的邊界,卻又無法否定它的存在。

「大腦擁有對世界的內部表徵,其最大好處是讓我們可以『預測未來』。不僅可以預期自體運動所造成的後果,更可以預測其他主體的物理屬性與動態。」Keller說道。也許在大腦持續演化的情況下,預知更長遠的未來也不無可能呢!

感謝

之所以有機會為這篇研究撰寫新聞稿,是基於論文作者與筆者私交甚篤而在發表前所分享的內容。預祝他很快就能在瑞士擁有自己的實驗室!

原始論文

  1. Keller, G. B. & Mrsic-Flogel, T. D. Predictive Processing: A Canonical Cortical Computation. Neuron 100, 424–435 (2018).
  2. Rao, R. P. & Ballard, D. H. Predictive coding in the visual cortex: a functional interpretation of some extra-classical receptive field effects. Nat. Neurosci. 2, 79–87 (1999).
  3. Keller, A.J., Roth, M.M. & Scanziani, M. Feedback generates a second receptive field in neurons of the visual cortex. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2319-4

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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