大腦如何使我們的體驗與期望達成一致?
2020年10月30日08:22
 我們的大腦會預測我們行為的結果,把現實塑造成我們所期望的樣子。這就是為什麼我們會相信“眼見為實”。
 我們的大腦會預測我們行為的結果,把現實塑造成我們所期望的樣子。這就是為什麼我們會相信“眼見為實”。

  10月30日消息,蘇格蘭作家羅伯特·錢伯斯(Robert Chambers)所著的《時代讀本》(The Book of Days,1864)講述了一個奇怪的法律案例:1457年,在一個名為拉維格尼(Lavegny)的小鎮,一頭母豬和它的小豬被指控殺害了一名小孩並吃掉了一部分。經過深思熟慮,法院判定母豬死刑,但無罪釋放了那些天真的小豬,因為它們還太小,不能意識到自己罪行的嚴重性。

  在現代人看來,讓豬接受刑事審判似乎有悖常理,因為許多人相信,正是人類對行為和結果有清楚的認知,才將我們與其他動物區分開來。放養的豬可能不知道它嘴裡嚼的是什麼,但人類肯定能掌握自己的行動,並對即將發生的後果保持警惕。然而,儘管我們在這種見解的基礎上建立了自己的身份和社會關係,但心理學和神經科學正不斷揭示,對人類的大腦而言,即使是監控我們與物質世界和社會最簡單的互動,也會面臨非常多的困難。面對這些障礙,大腦需要依賴預測機製,以使我們的經驗與期望相一致。通常情況下,這樣的一致性十分有用,但也會使我們的經驗偏離客觀現實,從而降低我們清晰的洞察力。

  在監控我們的行為時,大腦所面臨的一個挑戰是它們所接收到的信息存在固有的模糊性。事實上,我們是通過感官系統來“間接地”體驗頭部之外的世界:外圍器官和神經組織接收並處理不同的物理信號,比如照射到眼睛或皮膚上的光線。儘管這些神經回路非常複雜,但大腦的感覺系統擁有許多生物系統共有的缺陷:線路不完美、傳輸存在泄漏,而且系統會受到噪聲的困擾——就像調諧不良的收音機的劈啪聲掩蓋了真正的傳輸信號。

  噪聲並不是唯一的障礙。即使這些神經回路能以完美的保真度傳輸,我們的感知體驗仍然是不完整的。這是因為,感覺器官只能捕捉到外部世界物體的“影子”。為了說明這一點,可以想像一下我們的視覺系統是如何工作的。在觀察周圍的世界時,我們會對不同物體反射的光的空間模式進行采樣,這些光落在眼睛的平面上,形成一張二維圖像,保存在視覺皮層最初期的部分,形成了我們所看到的東西的基礎。這個過程十分奇妙,但也帶來了挑戰,那就是如何從投射在感官表面的二維陰影中重建真實的三維世界。

  讓我們回想一下自己的視覺體驗,這個挑戰似乎並不難解決。大多數人看到的世界都是三維的。例如,當你看著自己的手時,一個特殊的二維感官陰影就會投射在你的眼睛上,而你的大腦會成功地構建一個包含皮膚、肌肉和骨骼的手部三維圖像。然而,從二維陰影中重建一個三維物體實際上就是工程師所謂的“不適定問題”(ill-posed problem)——基本上不可能僅利用采樣數據解決。這是因為,無數不同的物體都可以投射出與真手相同的陰影。你的大腦如何從所有可能的選項中挑選出正確的三維圖像呢?

  大腦在有效監控我們的行動方面還面臨著第二個挑戰,那就是速度問題。我們的感覺系統必須描繪出快速而連續的輸入信息流。即使是最簡單的動作,快速感知這些動態變化也很重要:在喝咖啡時,如果我們不能準確地預測咖啡什麼時候到達嘴唇,那整杯咖啡很可能就會灑在我們身上。不過,我們用來探測和傳輸感覺信號的生物機製依然不夠完善,這使得大腦很難快速準確地描繪出我們在做什麼。時間的成本也不容忽視:儘管信號從眼睛到大腦只需要幾分之一秒,而使用這些信息來指導一個持續動作也需要幾分之一秒,這些幾分之一秒可能就是一件干襯衫和一件濕襯衫的區別。

  長期以來,心理學家和神經科學家一直在思考,我們的大腦可能會使用什麼策略來克服模糊和速度的問題?人們越來越認識到,這兩個挑戰都可以通過預測來解決。這其中的關鍵思想是,觀察者並不僅僅依賴於當前輸入他們感官系統的信息,而是將這些信息與對世界所包含的“自上而下”的預期結合起來。

  從嬰兒的“做和看”開始

  這並不是一個十分新穎的觀點。19世紀,博學的德國物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)提出,從模糊信號中產生可靠感知的不適定問題可以通過“無意識推論”(unconscious inference)過程來解決,即觀察者對世界如何建構有著既定的認識,可以以此得出準確的視覺圖像。幾十年來,這一觀點滲透到了認知心理學中,尤其是在20世紀70年代英國心理學家理查德·格雷戈里(Richard Gregory)提出“感知即假設”(perceptions as hypotheses)的概念之後。格雷戈里把感官知覺的過程比作科學方法論:就像科學家透過當前的理論來解釋證據一樣,我們的感知系統也可以根據自己的環境模型,將它們從感官接收到的模糊證據融入到情境中。

  在更近的歷史中,有關這些觀點的闡述是將大腦假設為“貝葉斯”(Bayesian),即認為大腦感知的基礎是預期。1763年,在英國統計學家、長老會牧師托馬斯•貝葉斯(Thomas Bayes)去世兩年後,他的一項定理終於發表。貝葉斯定理描述了如何通過結合觀察和先驗知識,做出理性推論。例如,如果你在一個炎熱的夏天聽到水滴滴答作響的聲音,那很可能是你把灑水器留在什麼地方,而不是下雨了。“貝葉斯大腦”假說的支援者認為,當大腦根據“自上而下”的知識——關於某事件可能發生的幾率——對“自下而上”的感覺信號進行評估時,這種概率推斷就會發生。

感知是困難的,因為兩個不同的物體可能會在你的感覺系統上投下相同的“影子”。你的大腦可以依靠已知事物——比如手——的大小和形狀來解決這個問題。
感知是困難的,因為兩個不同的物體可能會在你的感覺系統上投下相同的“影子”。你的大腦可以依靠已知事物——比如手——的大小和形狀來解決這個問題。

  事實證明,在大腦皮層中看到的神經聯結模式——大量從“較高”到“較低”區域的反向連接——支援了這些觀點。倫敦大學學院的神經學家卡爾·弗里斯頓(Karl Friston)和他的同事們設計了一種頗具影響力的大腦功能模型——分層預測編碼(hierarchical predictive coding)。這一理論模型表明,在任何給定的大腦區域(如早期視覺皮層),一組神經元編碼來自外部世界的感官證據,另一組神經元代表當前關於世界所包含事物的“信念”。根據這一理論,感知隨著輸入證據對我們“信念”的調整而展開,而“信念”本身決定了我們的體驗。然而,至關重要的是,大腦區域之間的大規模連接使得利用先驗知識來優先考慮某些“信念”成為可能。這使得觀察者可以使用自上而下的知識來提高他們所預期信號的“音量”,從而在感知展開時給予這些信號更多的權重。

  讓自上而下的預測滲透到感知中,有助於我們克服速度問題。通過預先激活我們大腦中與感覺有關的部分,可以有效地讓感知系統“領先一步”。事實上,神經科學家彼得·科克(Peter Kok)等人最近的一項研究發現,當我們期待某一事件發生時,該事件的模板會在真實事件發生之前就出現在大腦的視覺活動中。這種“搶先一步”可以為快速、有效的行為提供一條捷徑。

  將感知塑造成我們期望的樣子,也能幫助我們克服模糊問題。正如亥姆霍茲所設想的那樣,如果我們傾向於最可能的解釋,那我們就能從模糊的數據中得到可靠的感知。例如,當我們看著我們的手時,由於大腦對它將會遇到的物體類型有很強的預期,因此會接受“正確的假設”——這些確實是手部形狀的物體,而不是無數其他可能性中的一種。

  當涉及到我們自己的行動時,這些預期便來自於經驗。在一生中,我們通過執行不同的行動和體驗不同的結果來獲得大量的經驗。這種情況可能在咿呀學語的嬰兒時期就開始了。那些顯然是隨機的踢腿、揮動手臂和轉動頭部的動作,讓孩子們有機會發出不同的動作指令,並觀察不同的結果。這種“做和看”的經驗在運動和感官表象之間、在行為和感知之間建立了預期聯繫。

  推測這些聯繫是通過學習形成的一個理由是,有證據顯示,即使在成年期,這些聯繫也具有非凡的靈活性。實驗心理學家西莉亞·赫伊斯(Celia Heyes)和她的團隊在倫敦大學學院進行了相關研究,表明即使是短期學習也能重新連接行動和感知,這種建立聯繫的方式有時會與人體的自然解剖結構相衝突。

  大腦掃瞄實驗很好地說明了這一點。當我們看到別人運動他們的手或腳時,控制我們身體相關部位的那部分大腦也會活躍起來。不過,倫敦大學學院心理學家卡洛琳·凱特穆爾(Caroline Catmur)領導的一項有趣的實驗,發現如果讓實驗對象反轉體驗——在看別人拍腳的時候自己拍手,反之亦然——就可以逆轉這種映射。在這種體驗之後,當實驗對象看到拍腳的動作時,與手相關的運動區域就會變得活躍起來。這些發現,以及其他類似的發現,都提供了令人信服的證據,證明這些聯繫是通過追蹤概率獲得的。這些概率知識可以塑造知覺,允許我們激活大腦感覺區域中預期動作結果的模板;反過來,這也幫助我們克服感知上的模糊性,並迅速提供“正確的”知覺解釋。

  行動體驗會偏向我們的期望

  近年來,有一群神經科學家提出了另一種觀點,認為大腦會有選擇地編輯掉我們動作的預期結果。這一觀點的支援者認為,對人類來說,感知世界上令人驚訝、不可預測的部分——比如咖啡杯意外從我們的手指間滑落——更為重要。過濾掉預期信號將意味著感官系統只包含令人意外的“誤差”,從而使我們有限的感覺回路帶寬只能傳輸最相關的信息。

  這種“刪除預期”假設的基礎是,有研究表明,當我們經曆可預測的行動結果時,大腦感覺區域的活動會減少。如果我們感覺到皮膚被觸摸,或者看到一隻手在動,大腦中與體感或視覺有關的不同區域就會變得更加活躍。然而,早期的研究發現,相比來自外部的感覺,當我們撫摸自己的皮膚時——通過撫摸我們的手或手掌——這些大腦區域的活動相對減少。當我們觀察到與自己動作相匹配的手時,我們的大腦視覺區域也發現了類似的活動抑製。

  丹尼爾·永(Daniel Yon)是倫敦大學金史密斯學院的認知神經科學家和實驗心理學家,他和同事研究了這些預測機製是如何運作的。在最近的一項研究中,他和倫敦大學伯貝克學院的克萊爾·普雷斯(Clare Press),以及認知神經科學家山姆·吉爾伯特(Sam Gilbert)和弗洛里斯·德·蘭格(Floris de Lange)合作進行了一項研究。他們讓誌願者們接受核磁共振掃瞄(MRI),並記錄他們在執行一項簡單任務時的大腦活動。這些參與者被要求移動手指,觀察虛擬人物的手在屏幕上的移動。每當他們執行一個動作時,屏幕上的手要麼做一個意料之中的同步動作(移動同一根手指),要麼做一個意料之外的動作(移動不同的手指)。通過觀察這兩種情況下的大腦活動模式,研究人員就能梳理出預期如何改變感知處理的過程。

  簡而言之,研究人員的分析顯示,當參與者與他們所做的行為保持一致時,他們所看到的結果中會包含更多的信息。仔細觀察發現,大腦視覺區域的這些“更敏銳的信號”伴隨著一些被抑製的活動——但只是在對意外事件敏感的部分。換句話說,在行動過程中產生的預測似乎會編輯掉意料之外的信號,在大腦感覺區域中產生更清晰的表徵,更傾向於我們的預期。

  這些發現表明,正是我們的預期塑造了神經活動,使我們的大腦表現出我們所預期展開的行為結果。這與越來越多的心理學文獻結果一致,表明我們的行為經驗偏向於我們的預期。

  2007年,日本心理學家丸古和史(Kazushi Maruya)領導了一項研究,使用了一種名為“雙眼競爭”(binocular rivalry)的技術。在雙眼競爭實驗中,觀察者身處一台能夠在左右眼呈現不同圖像的設備當中。當這些圖像差別很大時,觀察者的感知體驗通常由其中一個圖像所支配,偶爾會在相互競爭的選項之間出現波動。丸古和史和他的同事創造了一種視覺競爭的體驗,讓觀察者在左眼看到閃爍的黑白圖案時,在右眼看到一個移動的球體。研究人員發現,有趣的是,當他們將移動的球體與觀察者正在進行的活動聯繫在一起時,這個圖像更有可能在競爭中“勝出”。這裏的意識體驗便是由可預測的行動結果所主導的。

  諸如視覺競爭這樣的實驗和其他許多實驗都表明,我們的感知體驗會受到行為的影響。例如,當鋼琴家按下琴鍵時,他們聽到的一系列音符的音高是上升還是下降會有所偏差。更重要的是,我們如何對時間流逝的體驗也可以被行為所操縱——當我們的移動速度變慢時,其他事件似乎持續得更久——而且我們傾向於看到與自己行為方向一致的模糊運動。由於我們的預期通常會成為現實,按照我們的信念塑造感知可以讓我們更清楚地認識到自己是如何影響周圍環境的。

  精神疾病與預期能力

  最令人著迷的一種可能性是,這種預測機製可能在幫助我們與社會互動方面發揮著重要作用。畢竟,人類在相互問候、輪流交談和回應對方等行為方面,似乎都遵守一套規則。其中一種最普遍、最結構化的相互回應方式便是通過模仿。認知科學家將“模仿”定義為這樣的情況,即觀察者會模仿對方的身體動作——所用的手勢、走路的步態等等;如果你看到與你交談的人在揉臉或抖腳,你很可能也會這麼做。

  一系列研究表明,被模仿的經曆會對我們互動的質量產生重要影響。當我們允許自己的行為被他人模仿時,可以增加我們對這些人的信任,使關係融洽並有歸屬感。2003年,荷蘭奈梅亨大學的心理學家裡克·範·巴倫(Rick van Baaren)領導了一項研究,發現接受指示模仿用餐者的服務員得到了更多的小費。

  然而,儘管被模仿的體驗可以作為一種強大的社會潤滑劑,但我們只能通過不完美的感官系統來感知他人對我們的行為。如果大腦不能注意到這些反應的發生,被模仿行為的親社會潛力就得不到充分發揮。但如果我們能對自己行為的社會後果做出預測,就像我們對自己動作的身體後果做出預測一樣,並利用這種預期機製使他人更容易被我們感知,這個問題就可以迎刃而解。

  克萊爾·普雷斯和丹尼爾·永在2018年的一項研究中探索了這一觀點。他們分析了行為過程中的預期機製是否會影響我們對他人模仿的感知。他們確實發現了一個關於預期的標誌:對預期行動結果的感知在視覺上更加強烈。這個標誌會在我們自己的動作之後仍持續數秒鍾,表明我們的預期機製非常適合預示別人的模仿反應。

  這種增強機製可能在要求苛刻的感官環境中尤為重要:例如,我們在擁擠的房間里更容易發現向我們揮手的朋友。另一種相對未被充分探索的可能性是,這種預期機製可能會導致我們覺得某些人與自己更為相似。如果移動緩慢會讓人覺得世界其他地方看起來也變慢,那麼當我們感到悲傷時,我們做出的緩慢、遲緩的動作可能也會讓我們認為別人變得更慢、更悲觀,這就造成了一種偏差。

  當然,有時使用預期來構建我們的經驗是一把雙刃劍。很明顯,當你意識到自己的期望有時不會實現時,就可能遇到兩面性的結果。如果你用力舉起一個你以為裝滿水的空茶壺,那麼這個空容器的加速將比你預期的快得多。同樣地,如果你講了一個不合時宜的笑話,你可能會看到一片茫然的臉,而不是你期待的笑聲。

  在這種情況下,我們似乎並不太適應重塑自己的知覺體驗——比如錯誤感知空茶壺的移動,使其比實際更慢;或者編輯社交夥伴的表情,讓他們看起來更開心——以使這些事件看起來更符合我們的期望。原因很簡單,因為這些都是我們事先推演的預期。當感官世界提供的信息不足,且預期被賦予更多的權重時,這種知覺錯誤就更有可能發生。產生可靠的體驗需要一個過程,而偶然的誤解可能正是我們為這一過程所付出的代價。

  儘管如此,我們還是很容易看出這樣的知覺錯誤會造成怎樣的傷害。人類的許多社會、文化和法律製度都依賴於這樣一種觀念:通常情況下,我們都知道自己在做什麼,因此可以為自己的所作所為負責。人類在大多數情況下會錯誤感知自己的行為,這樣的說法在科學上顯得有些諷刺,但在某些情況下,由預期所引起的知覺錯誤可能會導致嚴重的後果。例如,一個經驗豐富的醫生可能會對病人如何對一個簡單手術(如腰椎穿刺)做出反應有很強的預期,這可能會導致他們在不尋常的反應發生時產生認知偏差。如果醫生出現偏差,錯誤感知病人的症狀,其道德或法律地位會改變嗎?如果我們認為任何知覺錯誤都可能是醫生的專業知識造成的,這個問題是否會變得更加複雜?

  儘管預期有其陰暗面,但想想看,如果沒有預期,世界將會變得多麼艱難。這一想法長期以來一直困擾著精神病學家,他們認為,精神疾病中出現的一些不尋常的體驗可能反映了預期能力受到擾亂。

  一組特別奇怪的案例是在一些精神分裂症患者身上出現的“被控制妄想”。這種妄想的患者報告了一種痛苦的經曆,他們覺得自己的行為好像受到了某種外來力量的驅動。一位患者向英國精神病學家梅勒(C S Mellor)描述了他的反常體驗:“我的手和手臂在移動,我的手指拿起鋼筆,但我控制不了它們。它們所做的與我無關。”

  與這些生動的案例報告相呼應的是,許多實驗研究已經揭示精神分裂症患者有時很難識別自己的行為。例如,在法國裡昂大學醫院的精神病學家尼古拉斯·弗蘭克(Nicolas Franck)於2001年領導的一項實驗中,研究人員向精神分裂症患者和健康對照組誌願者展示了關於他們行為的視頻反饋;這些視頻經過了各種方式的處理,比如在空間上扭曲鏡頭或者增加時間延遲。研究人員發現,精神分裂症患者在發現這些不匹配之處時表現得比較差,這表明他們對自己行為的感知相對貧乏。

  這種行為監控的缺失和隨之而來的妄想之所以會出現,可能是因為這些患者經曆了某種機製的崩潰,這種機製允許他們預測自己行動的後果。患者可能會因此導致行為結果體驗方式的改變,進而使他們更偏向於形成奇怪的信念。尤其是,當失去自上而下進行預測的“”好處,可能會讓人們對自己行為的體驗相對更加模糊,也使人們很難確定他們的行為導致了什麼結果。這種模糊不清本身可能非常痛苦,而長時間被這種不尋常經曆所折磨可能會導致一個人產生“妄想情緒”——感到奇怪的事情正在發生,需要某種奇怪的、近乎妄想性的解釋。

  最後,似乎有一種來自心理學和神經科學的新觀點認為,望在塑造我們如何體驗行為及其結果方面起著關鍵作用。儘管在一個本身就很模糊的感覺世界里,將預期與感知相結合可能是一種監控我們行為的強大方式,但當預期沒有實現時,這一過程可能就會導致我們錯誤地描述自己行為的後果。這種虛構的體驗可能會削弱我們對自己行為的清晰認知,而正是這種認知將我們與天真的動物區分開來。當涉及到行為時,我們可能只會看到自己願意相信的,有時,我們也可能不知道自己在做什麼。(任天)

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