1840年的某天，一名男子睁开眼睛，发现自己什么也看不见——这是古斯塔夫·费希纳（Gustav Fechner）后来在日记中写下的“最后一记”。费希纳，德国著名的医学博士，后来成为物理学教授，却一夜之间莫名其妙地失明了。而这样的情况已不是第一次发生。这位科学家经历了长达数月的身体不适：眼前出现闪光、头痛、恶心、食欲不振，失眠和神经症。这位科学家不知道的是，他的悲惨处境最终会给人类带来一些非同寻常的东西——一个令人震惊的启示，这将永远改变我们对人类感官以及它们如何与身体机制互动的理解。

没人知道为什么费希纳会病倒。也许是过多的工作使他精疲力竭，像是他部分撰写和编辑了一本共八卷本、七千页的百科全书？还是以科学的名义，将自己变成了人肉小白鼠，从而损伤了他的视力？他在探索余像——一种当一个人停止对一个光源的注视之后留在视网膜上的图像——的感官现象时，使用只有彩色滤光片的眼镜盯着太阳看了太久。这一系列的实验似乎让他陷入了一种灼烧的、永无止境的“光的混乱”中，即使他闭着眼睛，也无法避免。他甚至不得不将自己的卧室全涂成黑色的，以阻止任何光线渗入。

虽然“接近疯狂”，但费希纳有在努力的、缓慢的，从病痛中恢复过来。他并没有采取一点点增添光亮，让眼睛逐渐适应微弱的光线，而是采取了蛮力的方式：每天让眼睛突然且强烈的瞬间暴露在亮光下，在光线造成剧烈疼痛之前迅速闭上眼睛。他也有恢复进食，吃着些奇怪的美食，比如浸泡在葡萄酒和柠檬汁中的生火腿，还有酸浆果和饮料。虽然他的脑子里仍有“不愉快的感觉”，但他终于还是开口说话了。

十月的一个下午，费希纳漫步进了他的花园，这是他生病期间鲜少会做的事。然而，这一次，他迈出了大大的一步，重新融入视觉世界。他把遮住眼睛的厚绷带取下来。阳光洒了进来。当他向花园里望去时，这位科学家看到了一个奇迹般的景象：他看到花在“发光”，好似正跟他诉说着什么。在这个欣喜若狂的时刻，费希纳有了一个惊人的领悟——植物也是有灵魂的。

让我们快进180年。

在新闻源大流行时代的数字迷雾中，当你在LinkedIn上点击页面，会发现，许多新职业的头衔听起来很奇怪：视觉工程师、应用感知科学家、视觉体验研究员、色彩科学家和神经接口工程师。他们的职位说明是“通过消除意图和行动之间的瓶颈，来帮助我们释放人类的潜能。”

有一种职业或许能特别吸引你的眼球：其名为应用感知科学家，为Oculus工作。Oculus是一家小型初创企业，生产一种轻量级虚拟现实头盔，Facebook在2014年以20亿美元收购了它。招聘公告要求具备视知觉、“视觉计算建模”和“实验或建模方法”方面的专业知识，这些知识“有助于我们了解AR/VR的显示需求和架构”。应用感知科学领域的这一新职业与LinkedIn的其他职业还有一个共同点：它要求学习一门听起来晦涩难懂的学科——心理物理学。

一个身处在19世纪中期德国且经历神秘疾病的科学家，和21世纪寻求探索人类感知深度的工程师有什么共同点？1850年10月22日清晨，就在费希纳病情好转，并与花园里的花朵邂逅的仅仅七年后，物理学家、哲学家、相信灵魂、植物和地球本身的永恒意识的古斯塔夫·费希纳，又一次灵感迸发。他开始意识到精神能量和物质能量之间必然存在着一种关系，这种关系是我们感知外部世界和我们大脑内部世界过程之间的一种可测量的对应关系。

但费希纳需要科学来印证他的理论。因此，他发起了一门听起来充满神秘感的学科，将其命名为心理物理学——一种“身心关系理论”，旨在为两个长期以来呈分离的领域之间建立可测量的联系：由物质与物理组成的宇宙，和由精神与心理组成的宇宙。在费希纳的理论公式中，心理物理学将是一门“精确的科学，就像物理学一样”，且“依赖于经历，以及那些经验性事实之间的数学联系，这些经验性事实需要对所经历的事情进行测量”。他断言，我们可以用数学来测量和计算我们如何感知世界，这永远改变我们如何看待感官和感知与人造机器的关系。

心理物理学在欧洲科学界掀起了轩然大波。它推动了实验心理学这门新兴学科的发展，在这门学科中，已经有一股将人类思想转化为数字的热潮。那个时期正在崛起的混合科学家——心理学家、哲学家、数学家和物理学家——渴望逃避对感官和思维如何运作的非科学（例如不可测量的）理解，而费希纳为他们提供了弹药。这些科学家开始发展理论，以证明物理现象（刺激）和对这些现象的感官体验（感觉或知觉）之间的数学联系。但在这个过程中，他们也试图消除体验、主观自我感知，以“客观”的公式和方程替代人类的感官体验。

费希纳的想法很快的在他那个时代新研发的传感器中得以实现。这些传感器有着听起来很奇怪的名字，如波形示波器（kymographion）、速度计或者计时器，它们测量或以图像化的方式表示血压、视觉速度或反应时间。用19世纪法国生理学家艾蒂安-朱尔斯·马雷（Étienne-Jules Marey）的话来说，这些新仪器试图揭示隐藏的“自然语言”。这种人类感官测量装置是在一种崭新的实验科学环境中研发出的：即欧洲和美国新兴的实验心理学实验室，其目标是创造一种新的人类生存状态：可量化的、可计算的，可预测的。

如今，我们或许可以说心理物理学已死，被埋葬于心理学历史书籍和大学藏品中已被废弃的科学仪器之间。但是，正如我们在LinkedIn上的搜索所揭示的那样，心理物理学在最神秘的地方仍非常活跃。例如，在Facebook现实实验室（Reality Labs）迷题般的行为研究中，拥有神经科学、应用感知研究、机器人学和计算机科学博士学位的科学家们，仍在利用费希纳在19世纪末所提倡的，感官、刺激和感知的定量建模。只不过在科学革新的21世纪之下，他们的目标则是创建虚拟现实、增强现实和XR体验，这些体验非常真实，同时又完全是人造的。

正如一组认知和计算机科学研究人员所声称的那样，“虚拟现实可以被视为一种长期的心理物理学传统的延续，这种传统试图干预我们的感知，以阐明其潜在的机制。”美国艺电公司（Electronic Arts）的游戏测试室和各大学的知觉实验室围绕着一个相似的目标联合起来。它们使用着我们这个时代的传感器——传感器网络、统计建模、机器智能、计算基础设施、人类劳动力和地球资源——来捕捉、计算、建模和模拟人类感知，超越了19世纪科学家们最疯狂的梦想。在这个过程中，我们和这些传感器之间建立了一种全新的关系。

与Oculus Quest中的传感器不同（这些传感器可以实例化一幅图像的帧速率是否发生了可感知的变化），1860年的费希纳几乎无法使用传感器来实验性地证明他的理论。当时的“传感器”还比较粗糙：人类的感知能力，在心理物理实验的测试下，会产出关于被试者们所经历的事情的口头数据，然后这些数据可以被计算出测量结果。

换句话说，尽管费希纳的心理物理学从数学逻辑来讲，其方法非常严谨，但它仍然依赖于人类科学家、生理学家，和心理学家们难以避免的，以“主观视角”来报告他们在实验中从被试者那里所感受到的东西。实验员很难衡量其针对被试者的报告是否正确，甚至是否准确。

为了延续费希纳的心理物理学，19世纪的科学家们转向对新兴技术的研发，以改善感官反应的测量方式：新的传感器将证明他们的新理论。这些研究人员成功发明了用于捕捉和测量人类及动物感官的仪器。从检眼镜到声哨、嗅觉计、计时器、触觉计和摄影枪，这些仪器让古法成像中的计时摄影得以兴起，从某种意义上来说，这些仪器已然成为了事实上的感官。

它们不仅是当今最早的传感器，这些传感仪器也在人类感官的新知识领域——感觉生理学的构建中，扮演了重要的角色。该领域是将感觉理解为心理和生理知识发展的关键。

受费希纳提出的心理物理学启发，感觉生理学家利用科学观察、实验程序和新兴仪器，研究了一系列常见的生理现象，包括听觉和视觉的空间感知，以及神经元信号发射或量子感应的速度：以阈值和刺激强度差异的形式进行的微小测量。

感官生理学直接将身体和感官纳入了技术循环，在致力于实验和分析活体感官的第批研究实验室中，测量和分析技术的迅速普及不仅仅是一种偶然的关系。感官被重新赋予意义化为技术本身，而且，就像我们的VR和AR头戴式设备一样，仪器越来越多地融入动物和人类的感官。换句话说，感官变成了传感器，传感器扮演了感知的角色。

在19世纪早期到中期，这种将感官“延伸”到仪器设备中的做法似乎是司空见惯的。诸如听诊器和温度计等设备已经开始取代人类的感官。这些新的实验技术和它们部署的实验室的整体效果是，机器不仅越来越多地调节被研究对象的身体和感知，而且也塑造了研究人员自己的感知。换句话说，研究人员变成了数据分析人员。

事实上，对于那些在生理学、心理学和医学的交叉领域工作的科学家来说，仪器成为揭示身体中流动的无形力量的重要伙伴，这些力量是人类感官自身无法感知的。19世纪法国生理学家艾蒂安-朱尔斯·马雷（Étienne-Jules Marey）对这份感悟有着最为清晰的表达，他说：“我们的感官告诉我们是如此之少，以至于不得不经常使用仪器来协助我们分析事物。”

这些科学家试图通过一种早期的数据可视化形式，将混乱、不精确的感觉转化为某种外部可读的东西——便是马雷和数学家、哲学家、感官生理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）所提出的“图形方法”。对于马雷、亥姆霍兹，和当时的其他科学家来说，可视化所隐藏的力量，可能为分析人体内部活动开辟新的篇章。

量化生物体的时代开始了。但这个时代愈发需要更为奇怪的传感设备来推进其科学事业：原始的电极；气动管和机械装置可以连接到不幸的人类和动物的四肢、手臂、翅膀、脚和腿上，例如马雷用于研究活鸟飞行的空气受电弓；记录型设备，如呼吸描记器，其图形化地表示发声过程中产生的喉部运动；抑或是在特定的时间间隔内测量视觉印象如何影响意识的视速仪。

虽然马雷相信这些仪器设备可以使大自然的隐性语言显现出来，然而，这些仪器最终被批评为是不精确的。事实上，图形方法不仅不精确，且被认为具有欺骗性。尽管人们对于这些“自我登记”仪器（无需人工干预就能自动记录或数据自动存档的设备）的全能能力深信不疑，但在人和仪器之间仍然需要一个人类阐释者——需通过双眼去阅读和理解出现在波形示波器或其他仪器设备上的曲线数据刻度。一位法国研究人员写道：“记录装置除了为我们的感官刻下起伏的线条之外，实则什么也不做；一旦涉及对这些摹写的解释，图形方法相比于直接观测，并不具备更高的确定性。

现在情况都变了。

虽然马雷的曲线，看起来有点像智能手机上的Fitbit应用或苹果健康应用程序的曲线，但它们之间存在很大的不同。自动算法取代了直接观察，协同存储着对世界感官数据统计分析的一排排网络服务器，正一步步成为我们人类的新晋感觉生理学家。现在，传感器可以捕捉、读取和分析人体产生的信号——血压、血糖、呼吸、神经——而无需依靠人类观察者。值得注意的是，人们倾向于错误地认为，精密的电子学、数字信号处理、统计模型和自动化计算消除了感官和机械仪器的不精确性。好在，如果数据不精确，算法总是可以调整的。当这些技术产出被发现表现出文化、性别或种族偏见时，情况也是如此。技术上的解决方案，是识别问题并迅速修复它，而不是一开始就将其定位至设计假定中的根本缺陷。

19世纪末的实验研究人员拿着笔、纸和仪器，准备测量人类对刺激的反应。那时的他们已经离开了最初通过传感器，寻求关于人类感官新知识的科学实验室，转而进入Facebook的现实实验室，或苹果的秘密“运动实验室”——这座位于加利福尼亚州丘珀蒂诺的秘密建筑，不仅雇佣了13名运动生理学家、29名护士和医护人员，而且还雇佣了一支机器大军，记录数万小时的受试者生理数据，以作为测试世界上最有价值的公司的传感器嵌入式产品的基准。苹果公司为其拥有的仪器设备感到自豪。据该实验室的负责人说，该实验室“收集了史上最多的，有关人类活动和锻炼的实验数据”。

因此，将19世纪传感机器的出现与今天进行比较，既显示了历史的连续性，也揭示了根本性的断裂。在21世纪20年代，每个佩戴健身追踪器、智能手表、生物识别衬衫或可穿戴式传感器的人都参与了一个转变过程：在没有人类心理学家或生理学家干预的情况下，把自己变成了一个个自我监控的测试对象。

在19世纪，我们现在习以为常的无数传感测量工具，仍然局限于实验室。记录生理信号的仪器不会像现在那样离开实验科学的研究所，在健身房或办公室随处可见；那时的它们归属于更大体系的科学仪器的一部分。

此外，人们对人类与数字化技术之间的关系也有着根本不同的理解。事实上，即使当时已经可以随心所欲地利用19世纪的工具，将人体感官抽象的表示为图形化的信号，但产出数据相关的人与产出的数值之间仍存在联系。人们会在实验结束后，瞥一眼被煤烟覆盖的鼓表面上的弯弯曲曲的痕迹，然后宣称：“那就是我。”

然而，数学和统计学的自动化计算改变了这一点。我们现在对时间感知运作方式的理解已然完全不同。之前人们使用波形示波器和脉搏描记器（血压计）时，需要通过手动加快或减慢机械仪器的速度，在旋转式滚筒的物理表面或纸表面上以不同的比例图形记录时间。如今，Fitbits和Apple watch生成的可视化曲线是截然不同的。它们是经过统计计算所带出的副产品：在窗口大小显示屏上，只能看到一个较长的部分延续性信号，或是经统计技术得出。换句话说，输出的该曲线表明着已被人工计算处理后的时间。

就像他们所处的大数据世界一样，在这个世界里，意义依赖于正确的数学，以便在随机的海洋中找到模式和意义，我们新心理物理学家和生理学家相信，感官的真理可以在数字中找到ーー在基于过去的统计技术中，衡量和预测未来。

也许最重要的是，自从费希纳提出心理物理学以来，感知测量本身的背景和目的，就已经发生了根本性的变化。过去的生理学家和心理物理学家利用仪器，将他们自己和他们的测试对象技术化，现在这些科学家们采取了额外的扩张行为。现在的他们将有着近两个世纪历史的心理物理学科学技术自动化，以设计下一代感知机器。如今，我们的服装、汽车、房屋、游戏、商店、剧院和画廊中都有传感器的身影。因此，感知测量开始与设计和创作密切相关。用仪器设备来探测人类的感官，不仅是为了更好地理解这些感官是如何工作的；也是在运用这些知识来设计和完善系统，在我们的感知和仪器设备之间产生和预测出崭新的联系，又在这些联系中相互扩展着。

与之前的传感器相比，我们的新型传感器能更精确地捕捉和分析我们呼吸、心跳、脑电波、肌肉紧张或反应时间的微秒数和微空间。这样做还有另一个原因。如今，我们的传感器正构思和创造更新的技术，旨在实现那些被遗忘的19世纪研究人员（如费希纳和马雷）梦寐以求的梦想：成为费希纳所说的技术世界本身的生命实体。

作者：Chris Salter
译者：琴心
审校：光影
原文：The Two-Century Quest to Quantify Our Senses

波士顿大学神经科学副教授、视觉神经科学实验室主任萨姆·林（Sam Ling）说：“这带来了一个问题：记忆表征是否真的与知觉表征不同？例如，我们对一片美丽的林间空地的记忆，会不会只是对之前使我们‘看到’它的神经活动的再现？”

这引出了一个问题：记忆表征是否真的与知觉表征有任何不同？

“争论的焦点已经从‘是否有任何感觉皮层参与记忆’转为‘等一下，它们难道有什么区别吗？’”克里斯托弗·贝克（Christopher Baker）说。他是美国国家精神卫生研究所（National Institute of Mental Health）的一名研究员，负责学习和可塑性部门。“争论的钟摆已经从一边摆到另一边，但又过犹不及。”

即使记忆和体验之间有非常强的神经相似性，我们知道，它们不可能完全相同。哥伦比亚大学的博士后科学家、最近在《自然-通讯》发表的相关研究第一作者塞拉·法维拉（Serra Favila）就说道：“人们从来不会混淆记忆和经历体验。”其团队的工作至少确定了一种，在神经组成层面上对记忆和对图像的感知不同的方式。

Favila, S.E., Kuhl, B.A. & Winawer, J. Perception and memory have distinct spatial tuning properties in human visual cortex. Nat Commun 13, 5864 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33161-8

模糊之处

当我们观察世界时，关于它的视觉信息流经视网膜的光感受器并进入大脑的视皮层。在那里，这些信息被不同的神经元群依次处理。每群神经元都为图像增添了一层新的复杂度：从简单的光点，变成线条和边缘，然后是轮廓，再是形状，最终便是体现我们所看到的完整景象。

在这项新的研究中，研究人员着重关注视觉处理的一个特性：神经表征如何反映事物在空间的位置。这一特性在视觉通路早期的神经元集群中非常重要。构成图像的像素和轮廓需要处在正确的位置，否则，大脑会使我们所见的物体产生混乱的、无法识别的扭曲。

感知和记忆使用大脑的一些相同区域。记忆和感知的神经表征有微小但显著的差异，这或许使我们能够区分自身体验的是两者中的哪一个。

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Kristina Armitage/Quanta Magazine

研究人员训练参与者记住四个不同图案在一个类似于镖靶的背景上的位置。每个图案都被放置在镖靶上一个非常具体的位置，并与镖靶中心的一种颜色相关。每个参与者都要接受测试，以确保他们已经正确记住了这些信息。例如，如果他们看到一个绿点，他们就知道星星的形状在最左边的位置。然后，在参与者感知并记住这些图案的位置时，研究人员记录下了他们的大脑活动。

脑成像使研究人员能够标记出神经元是如何记录某物位置的，以及之后如何记住它。每个神经元都关注你视觉范围内的一部分空间，即“感受野”（receptive field），例如视野的左下角。法维拉说：“只有当你把物体放在那个对应的小地方时，这个神经元才会发放。”对应空间中某一位置的神经元往往聚集在一起，这使它们的活动在脑成像中容易被探测到。

此前对视知觉的研究表明，视觉处理通路中早期的、较低层次的神经元具有较小的感受野，而后期的、较高层次的神经元则具有较大的感受野。这是合乎情理的，因为较高层次的神经元汇集由许多较低层次的神经元发出的信号，也就从更广阔的视野中提取信息。但更大的感受野也意味着更低的空间精度，其效果就像在北美洲地图上用一大团墨水来表示新泽西。实际上，感知过程中的视觉处理正是在把一个小而清晰的点逐渐变成更大、更模糊、但更有意义的一个团块。

哥伦比亚大学的研究人员塞拉·法维拉和她的同事研究了对图像的感知和记忆的神经表征如何不同。视觉皮层中神经元逐渐增大的“感受野”的似乎是问题的关键所在。

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Serra Favila

但是，当法维拉和她的同事观察感知和记忆如何在视皮层的各个区域被表示时，他们发现了一些重大差异。

当参与者回忆这些图像时，最高层级的视觉处理中的感受野与感知时的大小相同。但在信息逐级下行、人脑里浮现出这一心理图像（mental image）*的过程中，感受野在每个层级都保持着这个大小。换句话说，记忆中的图像在每个视觉处理层级都是一个大而模糊的团块。

*译者注：心理图像指在没有外界刺激的情况下对感觉信息作出的的表征及其产生的体验。

这表明，在储存图像的记忆时，我们的大脑只保留了它最高层级的神经表征。当记忆中的经历再次被体验时，视觉皮层的所有区域都被激活——但它们的活动是基于不太精确的版本作为输入的。

因此，大脑对信息的处理方式取决于信息是来自视网膜还是来自储存记忆的地方。原始感知的一些精确性在它进入记忆的过程中丢失了，而且，就像法维拉说的，“它没法像魔法般复原”。

达特茅斯学院的博士后研究员亚当·斯蒂尔（Adam Steel）称赞道，这项研究非常精彩的一点是，研究人员可以直接从大脑中读出关于记忆的信息，而不是依赖人类受试者报告他们所看到的东西。“我认为，他们所做的实证工作真的很出色。”

– Zaharia Geanina –

是特性还是漏洞？

但为什么记忆会以这种“更模糊”的方式被回忆呢？为了找出原因，研究人员建立了一个视皮层模型，该模型有不同层级的神经元，其感受野的大小不断增加。接着，他们通过发送信号并使之按相反的顺序通过这些层级，模拟了一个诱发记忆的过程。正如在脑成像中所见一样，在具有最大感受野的层级中才能看到的空间模糊性在所有其他层级中都持续存在。法维拉说，这表明，记忆中的图像之所以以这种方式形成，是由于视觉系统内禀的层级结构。

关于视觉系统为何按层级排列的一个理论是，它有助于物体识别。法维拉说，如果感受野很小，大脑就需要整合更多的信息来理解所看到的东西，而这可能使它难以识别像埃菲尔铁塔这样的庞然大物。这种“更模糊”的记忆图像可能是“为物体识别等任务而优化过的系统导致的结果”。

但目前我们还不清楚“这是一个特性还是一个漏洞”，明尼苏达大学的副教授托马斯·纳赛拉里斯（Thomas Naselaris）说。他没有参与这项新研究，但他在2020年的一项研究中得到了类似的结论，即，感知和记忆在大脑中看起来非常不同。他赞成“这种差异是有益的，或许有助于区分感知和记忆”这一观点。他说：“如果一个人的心理图像具有其场景图像的所有细节和精确性，那TA可能很容易混淆感知和记忆。”

这种模糊性也有助于避免储存不必要的信息。法维拉说，也许重要的不是记住每个像素在视野中的位置，而是这些像素代表了哪个家庭成员或朋友。

– Fay Troote –

纳赛拉里斯说：“视觉系统并不是不能产生高度细致、生动而精确的图像。”人们已经报告过从脑中产生非常生动的视觉图像，比如处于睡眠和觉醒之间的“催眠”状态时；大脑“只是倾向于在清醒的时候不这样做”。

法维拉和她的团队希望继续探索类似的处理是否发生在视觉记忆的其他方面，比如形状或颜色。他们尤其希望研究这些感知和记忆之间的差异是如何指导行为的。

法维拉说，感知和记忆“是不同的：我们对它们的体验是不同的。精准确定它们的不同之处对于理解记忆是如何表达的非常重要”。这些差异“一直都潜伏于实验数据中”。

后记

P：我记得Richard Born在谈到mental image的视觉处理时，指出很多此前关于V1也在mental image里做特征提取的（很久以前的）fMRI证据，毕竟心理学上对这个问题的研究不可谓不久远。其实从另一个角度讲，这种视觉处理也是很依赖于具体任务的，memories和imagery tasks和做梦可能又完全不一样（比如其中有没有涉及到V1）。Richard还举了一个关于mental image特别有意思的例子，是说让你设想一个upper case letter dee，逆时针转九十度，然后放到lower case letter Jay上面，你能想象出这个物体是什么吗？

作者：Yasemin Saplakoglu | 译者：P | 审校：Soso | 编辑：M.W. | 封面：Kristina Armitage | 排版：光影 | 原文：https://www.quantamagazine.org/how-the-brain-distinguishes-memories-from-perceptions-20221214/

如此，一个被我们称为“我”的小人物，通过烫、辣、凉、冷、疼感受着此刻的世界。很难想象，这些感受能力消失了会是什么样。但我们确实因为这些感受的异常而不时苦恼：抓心挠肝般磨人的疼痛，越抓越剧烈的持续瘙痒，异常的冷和热，甚至还有癌症痛和神经痛。

人类一直试图探究意识的源起，也一直试图掌控我们的躯体。随着解剖学的进步，我们知道了神经元在感受传导中的神奇作用。但每时每刻感受着这个世界的神经元，如何区分酸甜苦辣咸、寒热温凉？决定神经元功能差异的，又会是神经细胞中的什么呢？

在很长一段时间内，科学家们猜测，神经细胞对不同刺激的不同响应，很可能依赖于细胞膜上的离子通道受体[1],[2]。离子通道受体，就如同房屋上的门窗，它的开放与关闭影响着细胞内外离子的进出，而对阴阳离子不同的选择性，又会影响细胞膜电位的变化。正常的细胞膜维持着外正内负的电位差，如果大量阳离子流入或者阴离子流出，都将导致细胞膜的去极化（静息电位向膜内负值减小的方向变化），达到一定水平，还将诱发动作电位（又称神经冲动），其可在神经细胞间不衰减地传导，如同电流在无阻抗电线中的传导一般，最终可到达大脑皮层，产生不同的感受。

猜想变现实是极大的挑战，尤其是在我们还难以想象蛋白质如何对应对寒热温凉等物理化学刺激时，而实现这一伟大突破的是美国生理学家大卫·朱利叶斯（David Julius）。

上世纪九十年代，擅长受体克隆的朱利叶斯，开始对躯体感受与疼痛的分子机制产生兴趣。以辣椒为切入点，在经历重重困难后，他最终于1997年成功克隆出辣椒素特异性受体——香草素受体1型（TRPV1），并意外发现该受体可以被43℃以上的物理高温激活[3]。这一伟大的发现，首次呈现了离子通道受体在物理化学刺激间的信号转导作用，即辣椒素等天然化学物质刺激与温度等物理刺激，可通过细胞膜上TRPV1通道统一转化为电信号，从分子层面为我们展现了躯体感受认知的最基础的来源，更新了我们对躯体感受的认知。

此后的二十多年，朱利叶斯以TRPV1为起点，又相继发现了多种与躯体感受相关的TRP家族的通道蛋白。与此同时，他与同事程亦凡的实验室合作，解析了包括TRPV1在内的多种TRP蛋白的三维结构，并综合运用基因敲除等生理手段，试图回答这些神奇蛋白的结构与功能关系，为靶向药物开发提供理论基础。

如此开创性与系统性的研究工作，也使他陆续获得2020年度的生命科学突破奖与科维理神经科学奖（Kavli Prize）。

在不久前揭晓的科维理神经科学奖中，评审委员会主席克里斯汀·沃尔霍夫德（Kristine B. Walhovd）表示：“朱利叶斯和阿德姆·帕塔博蒂安（Ardem Patapoutian）的独立发现正在彻底改变我们对于感觉探测的认知，并将对解决全球健康和疾病问题产生深远影响。”

辣椒的痛与镇痛

在刚发现辣椒素受体TRPV1时，人们对能将化学和物理信号转变为电信号的蛋白受体感到相当兴奋。但与此同时，人们又惊讶地发现辣不是一种味觉，而是一种痛觉。

究其原因，TRPV1受体特异性表达于伤害性感受神经元（特异性识别伤害性刺激的传入神经元），且在身体多种组织器官内广泛分布。当有辣椒或者高温刺激时，TRPV1受体立即被激活，产生电信号，信号沿伤害性传入神经系统上传至大脑。又因为大脑对伤害性传入神经信号的解读统一为“疼痛”的刺激感，所以辣觉被科学地定义为痛觉[3]（当然，辣痛与普通疼痛存在区别，源于它的热感受属性）。这就不难解释，为什么除了嘴巴，我们的眼睛和皮肤也会有辣痛感。

▷ 如何科学解辣？
☉ 破坏辣椒素与TRPV1受体间的结合，如饮用油脂高的食物或饮料（牛奶、豆奶、奶油冰激凌等），从而溶解结合于受体上的辣椒素。
☉ 干扰大脑对辣的感受过程，例如蔗糖和香草素就有不错的解辣效果。香草素解辣的原因比较复杂，而蔗糖解辣一方面是因为甜与辣的刺激作用于口腔中不同的受体细胞，受体细胞之间的相互作用干扰大脑意识的产生，另一方面，大脑在接受甜刺激后会释放镇痛物质，进而缓解辣的痛感。
☉ 还有一个有趣的研究发现，捏紧鼻孔能抑制50%的辣感受，原因是鼻孔关闭，舌头表面温度会随之降低，而温度的降低又会减少TRPV1激活的可能。（下次辣到崩溃，也许你可以第一时间试试捏紧鼻子[4]？）

除了餐桌上的调味剂，人们还一直将辣椒当作镇痛剂。但直到TRPV1发现之后，辣椒的镇痛奥秘才浮出水面：TRPV1的离子通道性质在被持续激活时，阳离子将不断地涌入细胞，而过多的钙离子可产生细胞毒性，细胞出于自身保护便会反馈性地关闭TRPV1通道，并使伤害性感受神经元对辣椒素甚至其他伤害性刺激脱敏，减少痛觉信号的产生，由此抑制疼痛感受。

抓住TRPV1受体与镇痛的关系后，科学家们便将其视作治疗多种慢性疼痛的新的重要药物靶标。大型制药公司纷纷入局，通过模拟和提升辣椒素对于TRPV1通道的激活作用，或者直接抑制通道功能，来阻断大脑对疼痛的感知，寄希望于研发出新的高效的止痛药，以补充已有药物在治疗上的局限与强风险（阿片类药物存在成瘾性问题，一些抗炎止痛药具有肝脏和心血管损伤风险）。目前，已有十几种相关药物进行到各阶段的临床试验，比如生物制药公司Centrexion Therapeutics推出的超纯合成辣椒素（反式异构体）制剂CNTX-4975[5]。该制剂通过一个特殊注射装置导向骨关节注射，治疗膝关节中度至重度疼痛，目前已进入三期临床试验。

“火辣”开启温度觉探索的大门

让我们感到痛的同时，辣椒又为什么会让我们觉得热呢？

如前所述，TRPV1受体在被辣椒素激活时，还可被43℃以上的物理高温激活。在TRPV1之后，大卫·朱利叶斯和其他科学家团队又相继发现，多种与TRPV1相类似的离子通道蛋白（共属于TRP蛋白家族）与温度感受相关。例如，同样获得科维理神经科学奖的阿德姆·帕塔博蒂安（Ardem Patapoutian）的团队，在2002年通过薄荷醇分子（薄荷的主要成分），确认了一类薄荷醇敏感离子通道TRPM8，该通道能被8℃~28℃的无害低温激活[6]。2003年，该团队又发现了可被芥末激活的冷觉感受通道——TRPA1，它能被超低温（<17℃）激活[7]。

目前，我们已经可以从分子层面基本推断寒热温凉感受的来源：初级感觉神经元表达多种与温度感受相关的TRP通道亚型，例如，感受伤害性热的TRPV1（≥42℃），TRPV2 （≥52℃）[8]，TRPM3（≥40℃）[9]；感受非伤害性热的TRPV3 （≥31℃）[10]，TRPV4（≥ 25℃）[11]， TRPM2（≥35℃）[12]，TRPM4/TRPM5（15-25℃）[13]；感受非伤害性冷的TRPM8 （≤28℃）；感受伤害性冷的TRPA1（≤17℃）以及感受温度降低的TRPC5（25-37°C）[14]。当机体处于不同的温度环境时，特异性的温度敏感型离子通道将被激活产生电信号，经神经系统传输至大脑，产生特定的温度感受[15]。

有趣的是，感受寒热温凉的蛋白受体竟不是专司其职，反而“一心多用”，以至于造就了辣椒火热、薄荷清凉的神奇体验。那么问题来了，我们吃辣椒时感受到的热，真的与物理温度升高有关吗？换言之，我们所说的热性/易上火类物质“热”在哪儿？

可以肯定的是，食用辣椒类物质的热并非物理温度改变的结果，而是感受上的结果。大家可能都有过这样的感受：被辣到后对热的感受更敏感了。这是因为可同时被辣椒素与物理高温（≥42℃）激活的TRPV1通道，在被辣椒素激活后，对温度感受的阈值降低，即不到42℃的体温也能诱发伤害性“热”感受；同时，辣椒素与温度对TRPV1受体的双激活，也大大增强了表达有该受体的感觉神经元的兴奋性。因此我们的感受被“异常”放大，即使一口40℃的辣汤就有“喷火”感。

如果辣椒的热感是大脑的“异常感知”，那我们担心吃辣加剧口腔溃疡的所谓“上火”又作何解释？这取决于TRPV1受体在信号传导中的性质。

由于TRPV1受体是在神经与非神经组织中都有表达的非选择性阳离子通道，它的激活会介导大量钙离子内流，产生电信号的同时，在非神经组织中，胞内增高的钙离子浓度，还将介导多种神经肽的释放，如P物质（SP）和降钙素基因相关肽（CGRP）。SP可以引发血管舒张和血管通透性增加，导致水肿形成，还可以刺激肥大细胞释放组胺等炎症介质，诱导白细胞释放蛋白酶和活性氧（ROS）。CGRP能放松动脉，也能调节皮肤血流量的增加），引起神经源性炎症[16]。

所以“上火”与火无关，而是机体出于“自身防御”诱发的炎症反应。虽然我们习惯视疼痛与炎症为疾病，但疼痛与炎症存在的初衷是保护机体远离伤害，与炎症相关联的是免疫，红肿处的炎症就如一面标着“SOS”的小红旗，大声提醒免疫系统：“嘿，伙计，此处有破坏份子”。

除辣椒素外，乙醇、类胰蛋白酶、树脂毒素、大蒜素、姜油、芥子油等也都能引发神经源性炎症，它们正好源于我们常说的几种“上火”食物：酒精、菠萝、蒜头、生姜……而更有趣的是，TRP家族中很多蛋白亚型，也正是这些“上火”物质的受体（参见图二），比如冷觉受体TRPA1又称为“芥末受体”，可被芥子油、大蒜素甚至吸烟时的烟雾激活。最近还有研究把TRPA1称为“咳嗽的开关”：研究人员利用纸烟烟雾中含有的丙烯醛等物质进行试验，发现无论老鼠还是志愿者，吸入这些物质后都会咳嗽。吸入量越大，咳嗽越厉害。但如果用药物抑制体内的TRPA1受体，他们的咳嗽程度就会明显减轻。目前这一发现已用于研发治疗慢性咳嗽的药物[17]。

TRP家族与光感受

从疼痛到温度觉的解密，TRP家族快速地填充我们对感受的认知。让我们将时间轴拉回20世纪60年代，当时的科学家们运用多种诱变方法处理果蝇，希望能在不同的诱变型中有新的科学发现，而TRP就是其中之一。

1969年，科曾斯（Cosens）和曼宁（Manning）发现一种有着异常趋光性和视网膜电位的突变果蝇品系[18]，猜想该突变基因可能表达了一种光受体。1975年，随着电生理技术的进步，威廉·帕克（William Pak）实验室终于获得该突变体与野生型果蝇在单个光感受细胞上的电位差异，以及突变体对光反应是瞬时的电位变化特征，于是首次将该突变体命名为瞬时受体电位（TRP）[19]。自此，TRP通道在光感受上的作用成了新的科学问题。

2000年以后，随着TRPV1和TRPA1受体研究的增多，最新发现TRPV1和TRPA1受体对紫外线有响应[20]。紫外线和蓝光可产生单态氧，而单态氧又起到TRPA1和TRPV1激动剂的作用，增强其对光敏感性[21]。这一发现对于那些暴露于阳光下，有着异常疼痛与灼烧感的皮肤卟啉症患者，以及在接受光动力疗法治疗的癌症患者极其重要[20],[22]。

至此，我们已从辣椒素受体的发现开始，逐步了解了离子通道受体在痛觉、温度觉以及光感受中的神奇作用，见识到了TRP这个宝藏家族的多元技能。芥末葱姜蒜、寒热温凉痛，电压机械力，无不与其相关。

当然，TRP蛋白家族在生命活动中的功能并不局限于此，既不能认为所有的TRP通道都是感觉受体，也不能认为所有的感觉受体都是TRP通道[23]。在TRP家族之外，帕塔博蒂安发现的Piezo蛋白家族与躯体压力感受间的关联，也是一个极其宏大的科学问题，可从触觉、听觉、本体感受等维度解释我们对这个世界的机械感知[24]。而这，就是另一篇故事了。

参考文献

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编辑：EON；插画：纪善生

“我们都有过这样的感觉，它不时涌上来：我们所说的话已经被说过，所做的事已经被做过，在很久以前我们正是这样被同样的面庞、物件和环境包围着；岁月黯淡，但我们精准地知道接下来要冒出什么话，仿佛突然回忆起来了！”

这就是所谓的”既视感”（déjà vu）。狄更斯的描写或许有些夸张，一方面，调查估计约三分之二的人曾有过至少一次既视感，很难断言人人都经历过。另一方面，在产生既视感的同时觉得自己可以预知接下来发生什么，并非普遍现象；大多数的既视感转瞬即逝，我们知道自己从没来过这个地方，从未见过这样的场景，很快便恢复了”理性”，虽然事后可能思忖良久。

既视感自带神秘的超自然色彩，它似乎沟通着潜意识与意识，前世与今生，身体与亘古不死的灵魂。甚至曾有人认为它源于记忆的部分遗传，比如你的母亲曾在这幢房子的客厅里织毛衣，当你第一次走进客厅时便会产生难以言说的熟悉感。荣格在发展共时性（synchronicity）理论时就将既视感当成典型例证，它表明精神力量弥散在时空中，通过特定的符号与主题将人与人联结起来。

古往今来，对于如何解释既视感这一怪异现象，我们有太多五花八门的理论，就算排除通灵学、宗教解释、精神分析等与现代科学框架格格不入的说法，剩下的种种理论也让人眼花缭乱。

既视感是什么？

在考察几类最具代表性的理论之前，有必要对既视感的概念加以阐明，也就是说必须搞清楚亟待解释的是什么。

首先，它是主观的冲突感，我们一边被强烈的熟悉感包裹，一边判断认为这种熟悉感是没来由的、不正当的。假如你偶遇某个半生不熟的人，一边尴尬地打招呼一边苦思冥想这到底是谁：你知道自己认识这个人，只是暂时想不起他/她的身份而已，因此算不上是产生了既视感。

其次，”既视感”这个表述仅指向视觉，但它其实可以涵盖听觉，或是某个行为、场景等更为整体性的刺激。

最后，也或许是最重要的一点，偶尔出现的既视感是完全正常、健康的现象。虽然可以将既视感视为大脑”故障”的表现，但只要它没有久久挥之不去，没有影响到我们日常的思考和行为，我们不用担心它代表了精神疾病或脑部病变——不如好好珍惜这些美好的意外。（不过有证据表明在疲劳和压力下，既视感产生得更频繁。）

感知出了差错？

第一类理论认为，虽然既视感看似是一种记忆现象，其根本原因是感知出了差错。简单地说，我们在短时间内把眼前的场景感知了两次。第一次感知过于匆忙，或是注意力被干扰，但终究在我们的脑中留下了印迹，导致第二次感知时感觉似曾相识。这是典型的自下而上的解释策略，并不关涉我们较”高级”的认知功能。

许多心理学家和神经科学家认为这种”双重感知”说过于简单，似乎难以解释既视感的一些离奇特征，比如老年人的既视感不如青壮年人频繁。心理学家阿基拉·奥康纳（Akira O’Connor）与克里斯托弗·莫林（Christopher Moulin）对一位颞叶癫痫患者的案例进行分析后指出，将既视感理解为自上而下的认知现象似乎更靠谱。

早在19世纪末，英国神经病学家休林斯·杰克森（Hughlings Jackson）注意到部分癫痫患者在发作前会进入一种”双重意识”的状态，包括强烈的既视感，自此癫痫研究与既视感研究总是紧密捆绑在一起；虽然如今人们已不再认为既视感是可用于诊断癫痫的早期”症状”，癫痫病人的脑部扫描与主观体验依然可以为既视感研究提供宝贵的资料。

奥康纳与莫林报告的病人毕业于牛津大学物理学系，因为一次脑炎患上了癫痫，患病前从未有过既视感。第一次产生既视感时，他还以为是遭遇了某种神秘事件，之后他想尽各种办法摆脱狂轰滥炸的既视感，但终究无济于事。

“我试着把视线从我辨认的东西上移开，希望这样就能停止既视感。但现在我知道转移视线等任何方法都是徒劳，因为既视感紧紧追随着我的视线和听觉。”

两位心理学家指出，如果这位病人的既视感是因为低级的感知系统出了问题，那他的感知系统一定非常努力地时刻捣鬼、步步出错。鉴于有些人的既视感如此挥之不去，以较高级的认知系统故障来解释反而更加简洁。

奥康纳等人提出了另一种“错把感知当记忆”的解释，区别在于，他们认为这种错误并非源于双重感知，而是记忆系统的编码活动被错误地表征为了读取活动。

在他们采纳的记忆模型中，海马体的CA1区同时参与记忆的存与取，两类过程的平均放电频率分别处在θ波震荡的两个阶段，而某个位于CA1下游的区域可能在读出神经信号时出了差错。比如你走在路上看到一个人推着婴儿车，里面坐着一条戴太阳镜的狗，这幅场景非常新奇；你的海马体奋力编码感官数据，但是某块调皮的脑组织误以为你是在调用过去有关婴儿车里的狗的信息，于是你觉得一阵诡异的熟悉感涌上心头：我是不是碰到过这个奇葩？

熟悉感从何而来？

第三类理论依旧有关记忆：的确是有些似曾相识的东西触发了你的熟悉感，你只是想不起来具体是什么。粗暴地说，我们“失忆”了。

至于究竟是什么触发了熟悉感，我们有形形色色的假说，如格式塔（虽然你现在置身的客厅没有一样东西和你儿时的住所重复，却在整体布局上相似）、单一对象（灯罩上的图案和你昨天逛宜家时看到的某个灯罩雷同，你只是无法在眼前的众多元素中定位到这个灯罩）、媒介或梦境（你梦到过类似的场景，或在小说里读到过符合眼前场景的描写）等等。这种解释直觉上非常简洁有力，但问题是，某种在你有意识的记忆中根本搜索不到的痕迹，何以可能越过意识直接开启主观感受的水阀？此外，为什么我们每次下班回家看到自己家客厅的时候不会有强烈的熟悉感，反倒在陌生的地方被这种感觉席卷？

心理学家布鲁斯·惠特西（Bruce Whittlesea）与丽萨·威廉姆斯（Lisa Williams）在1998年发表了一篇标题非常可爱的论文，叫做《为什么陌生人让你感觉熟悉，朋友却不会？》。两人通过实验发现，熟悉感与处理信息的流畅度（不仅是速度快慢，更关乎整体的质量）有关，但更重要的是，两者的关系是间接的，需要以具体情境和我们的预测为中介。

当我们走进地铁车厢，并不期望着遇见某个熟人，却猝不及防地流畅地处理了某个乘客的面容——正是这种冲突带来了熟悉感。

在哲学家的眼中，熟悉感可以被认为是一种认知情感（epistemic feeling），它在某些情况下可以与认知的内容分道扬镳。比如你参加电视问答节目时，总是希望快速抢答，但是摁下按钮之前得先判断自己知不知道答案；这种“知道的感觉”可以先于你在脑中搜索到答案具体是什么（即认知内容），你可以抢答之后再努力思索。类似地还有话到嘴边但就是说不出的情况：你绞尽脑汁也没能成功地读取信息，但你就是感觉自己的记忆中确实包含了那则内容，好好想想总能想起来。

认知情感与内容的分离模型与再认记忆（recognition memory）的双重过程（dual process）理论不谋而合。从功能上说，再认记忆需要我们比较眼前的刺激与过去的经验，高效做出决定。双重过程理论能很好地解释我们“直觉”般的认知情感：再认记忆包括熟悉感和回想两个维度，前者迅速、自动，后者需要我们慢慢努力才能完成。对健康人群的功能性磁共振成像显示，人们回想的时候，海马体相对更为活跃，而熟悉感的产生则与鼻周皮质的高度活跃相关。

于是我们得到了既视感的第四类理论：既视感属于元认知（对于自身认知状态的认知）的层面。一方面是熟悉感的错误触发，另一方面是我们没能回想起是什么让我们感觉熟悉，于是我们“理性”地判断出这种熟悉感是不正当的（或许基于对当下情境的评估：这个地方我第一次来，理应是陌生的）。

在2018年的专著《既视感的认知神经心理学》中，莫林将回想虚构（recollective confabulation）这种奇妙的现象引入了既视感的元认知讨论中。一位表现出回想虚构症状的病人拒绝看电视、读报纸，他说因为他已经都看过了；而当他妻子问接下来的剧情是什么，他回答说，“我怎么知道，我记忆有问题！”

莫林认为回想虚构由两方面促成，一是记忆功能受损，二是元认知失调。这些患者被频繁而强烈的熟悉感侵扰，同时无法正确地否认这种熟悉感，反而通过编造“记忆”来证明熟悉感的正当性。如果既视感的元认知解释是正确的，那么偶尔闪现的既视感恰恰反映了回想机制与元认知功能的相对正常，而老年人既视感频率降低可能是因为他们已经搞不太清自己记得什么、不记得什么了。

大脑的小把戏

2004年，精神病学家阿伦·布朗（Alan Brown）出版了一本名为《既视经验》（The Déjà vu Experience）的综述性著作，让许多人第一次意识到这一古老而神秘的话题居然可以被置于现代科学的聚光灯下审视，也带动了神经病学、精神病学、认知科学等领域的既视感研究热潮。

布朗总结了34种既视感的“科学”解释，它们乍一看风马牛不相及，但其中有许多或许能够相互补益，或者互为底层机制与上层模型；结合更为精密的脑成像研究和更为巧妙的实验设计，种种假说或许有朝一日能汇合成一种彻底解释。

不过，解释并不等于消解，科学也不旨在摧毁我们丰富而奇绝的主观经验。我们的大脑作为复杂精妙的信息处理器，偶尔出现一些无伤大雅的小故障，反倒为我们平凡无奇的日常经验赋予了深邃的意义——“我觉得你很眼熟，可能我命中注定要和你在一起。”

参考文献

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本文及插画系神经现实原创，未经授权禁止转载。

作者：有耳；编辑：EON

大鼠一动不动地坐在她的笼子里。只有当我轻轻碰她的时候，她才会做出反应。然而在这种情况下她的动作也十分缓慢，仿佛是在慢动作镜头里一样。这就是我的实验对象——GRat66，她只有几个月大。除了她长长的秃尾巴之外，她的身体刚好可以容纳在我的手掌里。几分钟前，她就是这样在我的手掌中被注射了麻药：几滴强效麻醉剂被注入她腹部的皮层。现在，她黑珠子般的眼睛微凸着，慢慢进入麻醉状态。

我正在准备在这只大鼠脑中植入微丝电极。麻药的麻醉作用将从手术前开始，一直维持到手术结束之后。那是2018年秋天，我攻读神经科学博士学位的第六年。我希望通过这场手术获得一些数据，而这些数据能帮助我回答一些困扰我很久的问题：大脑中控制运动的区域，到底如何与负责视觉感知的区域相互作用？为什么即使在黑暗中移动，一些视觉区域的神经元也会进入活跃状态？

我将GRat66放进麻醉室中。这是一个与气化罐相连的塑料小盒子，气化罐会输出具有麻醉作用的异氟烷。我掐了掐她的脚趾，确定她的屈肌反射已经完全消失：她已经进入了充分的麻醉状态。我把她放在立体定位仪上。这个仪器可以在手术过程中保证她头部的稳定，并能提供充足的异氟烷气流。接着，我在她的头皮下注射了0.5ml的利多卡因注射液。她的头皮因为局部麻醉剂已经有些肿胀了。身穿无菌服、面戴口罩、手带手套的我，割开了GRat66的头皮：她血粉色皮肤与亮晶晶的白色脂肪层之下，是象牙色的头骨。

通过显微镜，我用牙科钻在大鼠的头骨上钻了一个小洞，然后小心地将包裹在脑上的硬脑膜剥开。我将比人的头发细十倍的电极丝通过视觉皮层慢慢地插入脑中，然后再用胶水把电极丝密封起来，缝合了切口。经过四个小时的操作，大鼠的头顶被替换成充满电子元件的“厨师帽”：它可以将大脑的信号通过数据线传输到我的电脑上。最后，我又涂上一些胶水，把粘稠的灰白色牙科水泥涂在头皮和植入物之间，然后关上麻醉罐，让GRat66慢慢苏醒过来。

科学家们为了探寻知识而进行基础科学研究。当别人拷问他们知识的代价，他们通常会从功利主义出发辩解：动物生命的价值低于人类，而研究给人带来的益处大于动物受到的伤害。当单独考察每个实验，问题就会变得更加复杂：如果进行基础研究是为了探寻知识，但我们无法预料某个动物实验的结果是否有意义，又该如何证成实验的合理性呢？

动物研究给人类带来诸多好处。这些研究带来了麻醉、抗生素（青霉素是在培养皿中被发现的，但它的特性和安全性是在小鼠上验证的）、疫苗以及帕金森病的疗法。血清素这种神经递质是许多抗抑郁药物的间接靶点，是生物化学家贝蒂·托洛格（Betty Twarog）1953年在动物大脑中发现的。肌松剂苯海拉明（diphenhydramine）最早发现于狗的研究，后来表明有缓和过敏症状的作用（苯乃准就是一种苯海拉明），再后来经过修饰改造成为百忧解。

科学家们在进行研究的时候，总会尽可能地选择利用既存的知识与模型，而不是动物。但我们对于大脑的理解太原始了。如果不使用真正的大脑来研究，就仿佛在用一门未知语言玩填字游戏。如果我们不知道人体如何运作，压根就不可能设计出合适的诊疗方法。

即便如此，我心如刀割。把有知觉的生物关起来，操纵它们，杀死它们，这实在太难了，也无法和我对动物的喜爱相容。我也知道，似乎并不存在能奇迹般解决我困境的方法，但我希望至少能做些什么，让我的行为往道德天平上“善”的那端倾斜。就在去年，我偶然在麻省理工学院传媒实验室发现一个有趣的项目，叫做“减少实验动物的痛苦”。这个项目由遗传学家凯文·埃斯维尔特（Kevin Esvelt）领导，目标是“培育出比现存动物感受更少疼痛的小鼠品系”。我很好奇埃斯维尔特的工作能否解决我的困境，于是联系到了他。

那是一个潮湿的秋日下午。在麻省理工学院传媒实验室的办公室里，埃斯维尔特接待了我。他现在是“塑造演化研究组”的组长，这个项目组使用最先进的分子生物学及遗传学工具来研究演化进程。目前，埃斯维尔特的项目是培育对生理疼痛不敏感的基因修饰小鼠。36岁的埃斯维尔特身材修长，一头金发，穿着带蓝色纽扣的衬衫，黑色裤子和凉鞋（没有穿袜子）。他蓝眼睛中投射出的目光异常殷切而尖锐，让我怀疑他应该是个狂热的咖啡因爱好者。“事实上，我对各种意义上的动物福利都非常关注。”他这样告诉我。“我们一直在改造小鼠。但我们到底为什么没有借助基因工程，让小鼠对疼痛的感知力更容易被关掉，从而减少它们的痛苦呢？”

埃斯维尔特的灵感来自于英国剑桥大学的遗传学家杰弗里·伍兹（Geoffrey Woods），他曾研究过对生理疼痛不敏感的罕见临床案例。在2006年发表的一篇论文中，伍兹和一个国际研究小组的研究者们报告了三组来自巴基斯坦的家庭的基因鉴定的结果。这些家庭的小孩都出现了对疼痛不敏感的症状。科学家最开始对这些家庭感兴趣，是因为有当地医疗机构的人在街头目睹一个10岁小男孩表演把刀子插进手臂里。后来，这篇发表在《自然》杂志上的论文中提到，这个小男孩在14岁生日前不幸去世，死因是“从房顶上跳下来”。

科学家们对这些家庭中的孩子们进行基因测序发现，他们的SCN9A基因序列中存在一个突变，该基因编码钠离子通道Nav1.7，这个空隙蛋白能够让带正电的钠离子流入神经元，就像给电池充电一样。携带SCN9A突变的生物几乎在所有方面都是正常的：他们拥有正常的智力，可以看，可以听，可以协调运动以及感受碰触——如果有人用大头针穿透他们的皮肤，他们会感受到机械位移（他们可能会说有什么东西正在接触他们），但是，他们全然意识不到这些感受是疼痛的、有害的。

在大多数情况下，基因和感知的关系复杂地让人头大，但SCN9A突变的效果很明确。“敲除这个特定的受体后，你就不会感受到任何机械疼痛。” 埃斯维尔特告诉我，“有活生生的人可以作证。我们知道这完全做得到，坦白说，我们想做的话早就做到了。”

尽管一只对疼痛不敏感的小鼠不太可能跳楼，终身未曾体验疼痛或许是一种适应不良的性状。为了解决这个问题，埃斯维尔特和他的研究生德沃拉·纳加尔（Devora Najjar）决定利用全新的基因工程方法。这种新技术允许他们在需要的时候诱导敲除SCN9A基因，其本质类似于给疼痛敏感度装上一个开关。这种开关是通过在小鼠的饮食中加入一个特殊的分子来实现的：只要小鼠吃了加料的饲料，该分子就可以阻止小鼠的神经元产生钠离子通道Nav1.7，而在实验结束后，研究者可以给小鼠换回正常饲料，允许基因机制像以前一样生产Nav1.7。

“重要的是，在小鼠长大后，它们会发展出正常的痛觉感知能力。这种能力可以防止它们养成咬舌头或打架等坏习惯。”埃斯维尔特说，“我们希望它们在成长过程中经历正常的疼痛，只在做实验之前关掉感知疼痛的能力。”

我问埃斯维尔特，是否会有这样一种可能性——当人们有了没有痛觉的小鼠之后，它们反而遭受更多的痛苦。毕竟，研究人员可能对无法感到疼痛的小鼠态度更差。纳加尔（Najjar），一位语速很快的长岛居民，和我有类似的担忧。“人们可能会用感觉不到任何疼痛的动物做更多不道德的实验。”她说。为了避免这种情况，她建议沿用现行的实验室动物保护政策，也就是让实验人员像对待正常实验动物一样对待这些无痛感的小鼠。只不过它们的“镇痛剂”是埃斯维尔特的基因工程，而不是阿片类药物。

离开麻省理工学院后，我不断地在想，虽然我们已经对痛感有深入了解，甚至可以关掉痛感，但无痛感小鼠项目是否依然没有触及“痛苦”（suffering）的其他重要方面。我在术前术后注射阿片类药物，大鼠们在实验过程中就不会有疼痛感，但我仍然很难相信它们没有遭受痛苦。它们在鞋盒大的笼子里度过一生，绝大多数时间被单独囚禁着。固然，它们有玩具、栖息之所和无限的食物，但是这些好处似乎无法弥补监禁与侵入式手术的伤害。哪怕是一只大鼠，比起没有疼痛，它是否更向往自由？

人们开始关注实验动物的幸福与否，这很令人鼓舞，实验动物能够得到妥善的保护也是一件重要的事：然而，事情并不从来如此。就像人类的历史一样，动物实验的历史也是残酷的。人类追求知识、乐趣或利益，在几个世纪间给数十亿动物带来了难以想象的痛苦。

人类对动物生理的好奇心驱使了古希腊和古罗马人对还清醒着、尖叫着、挣扎着的动物进行活体解剖。珀加蒙的加仑（ Galen of Pergamum），一位居住在罗马的希腊外科医生，于公元177年左右在《解剖过程》一书中描述了他进行的活体解剖。为了更好的效果，大脑或脊髓手术“应该在猪或者山羊身上进行”。猪或羊比猿类更适合，是因为“活体解剖猿类时，它的表情会让你不适”。加仑还建议把动物放在有孔的木板上，用绳子固定住它的四肢，然后找一把结实的大刀。加仑写道：“你切的每一刀都应该沿着直线移动，切勿心存怜悯，而应穿透深层组织，这样你只需简单地敲一下，就可以轻松揭开动物的头骨。” 在剥去头皮、切开头骨之后，就可以开始你的实验了。“首先，你可以分别挤压四个脑室，观察它受到了何种精神错乱的折磨。自此以后，一言蔽之，人类对大脑的研究开始了。从某种程度上说，如今神经科学仍旧使用这样的研究方法：观察大脑，操纵它，然后看看会对行为产生什么影响。

基督教的教义宣扬上帝创造动物供人类使用。随着基督教兴起，人类对动物的态度变得更加冷漠。法国哲学家笛卡尔（Rene Descartes）认为动物对疼痛刺激的反应仅仅只是一种反射，因为动物没有灵魂，所以它们不具有感知内在体验的能力。伏尔泰（Voltaire）在一个世纪后反驳了这种蒙昧的论调，他的文字令人心碎。他于1764年在《哲学词典》中写道，“（文明人把狗）钉在桌子上，为了观察它的肠系膜静脉而进行活体解剖”，仅仅是为了“发现它有和你一样的感受器官……难道大自然把动物的各种感觉途径安排妥当，让它们（在遭受这一切时）可以毫无感觉吗？” “就算一个野蛮人抓住了这只狗，狗和野蛮人的友谊也远超过和文明人的。” 现代科学已经证实这位伟大思想家的反问是正确的：大量的压倒性的证据表明，从小鼠到猕猴，从知更鸟到乌鸦，这些动物们都能体会生理的疼痛和情感的痛苦。

随着麻醉技术在19世纪上半叶的发明与改进，到了19世纪末，一些动物实验开始在麻醉状态下进行。但是，人们直到一百多年后才开始关注手术室之外的动物福利问题。1966年，美国国会通过了《实验动物福利条例》，要求实验室与动物供应商取得进行动物实验的许可，美国农业部负责对动物实验进行监察，且必须给予动物充分的术后镇痛。后来，《条例》的实践促使动物护理及使用委员会成立，委员会成员包括兽医、律师以及非专业人士，旨在确保实验动物受到最好的关怀。

随着法律革新，公众也更加关注动物苦难。1975年彼得·辛格（Peter Singer）出版的《动物解放》毫无疑问轰动了社会各界。书中描写的动物实验残忍得骇人听闻（如通过强迫电击促使狗产生习得性无助），作者对科学事业的态度更是悲观的。“在数千万次的实验中，只有少数几个实验可能对医学研究有重要贡献。” 辛格写道，“应该立即停止那些没有直接紧迫或目的的实验，在剩下的研究领域中，我们应该尽可能寻求不使用动物的替代方法。”

我大学时就常听到人们夸这本书，但直到去年才亲自阅读。让我震惊的是，辛格对基础科学的用途不屑一顾。我想知道，在这本书出版后的40多年里，他的观点是否有所演变。我也很好奇辛格会如何看待埃斯维尔特的无痛老鼠，于是我拨通了他的电话。

“我不否认有些动物实验确实给人类带来了好处。” 辛格谨慎地回答道。电话那头的声音干巴巴的，不带任何感情；正是这种语调赋予了《动物解放》中的论述撕心裂肺的效果。同时辛格也承认，如果一项动物实验能够“治愈一些对人造成极大痛苦的主要疾病”，且动物实验是通往治愈疗法的唯一途径，并确保实验动物不会遭受痛苦，“那么我很乐意说，‘好的，在这些条件下使用动物是合理的。’”

那么基础生物医学研究以及对知识的探寻呢？如果仅仅是为了追求这些，使用动物又是否合理？“如果针对基础研究，而不是治愈疾病的研究，这个问题将很难回答。”他说，“基础研究或许最终会有意外收获，帮我们解决实际问题。但依我看来，如果以获取知识本身为目的，这就不是给动物施加巨大痛苦的正当理由。你需要指出它可能带来什么造福众生的重大突破。

辛格对埃斯维尔特的无痛觉小鼠的态度倒是比较积极。“既然导致生理疼痛的实验总要用小鼠，那么是否应该培育生理疼痛不敏感的基因修饰小鼠呢？如果你这样问，那我当然会说，是的。”辛格回答道。然而，他想知道埃斯维尔特的无痛觉小鼠是否仍然会感到沮丧、抑郁、悲伤、惊恐或焦虑。除此之外，实验人员可能会在它们身上肆意进行某些对正常小鼠而言过分的实验，而意识不到埃斯维尔特的基因修饰小鼠可能会遭受其他类型的创伤。“所以说，无痛感小鼠可能会遭受更多痛苦。”

辛格对无法预知结果的基础研究充满抵触，这让我很不安。只允许开展“有前景”的基础研究似乎遗漏了一个事实：自然科学中的基础研究本来就是不可预测的，而提前了解哪些实验可以产生有用的结果更是异想天开。我们只能做事后诸葛亮。

《动物解放》将科学家们描绘成不关心动物健康的冥顽之人，可我觉得我和同僚们不是这样的。我得找一个另外的视角看待问题，于是我回到哈佛医学院，也就是我开始研究生生涯的地方，希望在与经验丰富的科学家交流之后，我能解开辛格的哲学种下的心结。我找到了神经生物学教授里克·伯恩（Rick Born），他从上世纪九十年代就开始研究灵长类的视觉系统，探索视觉皮层的神经元如何处理输入的刺激，以及它们如何受到高级皮层区域大量联结的影响。

在研究生们眼里，伯恩是一位专注的导师，同时也是自行车迷以及远洋游泳健将。十一月的某个寒冷早晨，我去往医学院的神经生物学部拜访他。进入大楼需要哈佛大学的身份证明，但是灵长类实验室所在的地方还需要额外的安全措施，以防自以为能解放动物的人。当我在实验室上锁的前门等待时，这位有着闪光的银发的56岁老人从一条长走廊走来，打开门让我进去。

我们在伯恩的办公室聊天，他直奔主题。“我相信自己没有在动物身上进行研究的不可剥夺的权利——但我相信，进行动物实验的合理性源于我们能从中获得的知识，这些知识可以造福社会。”伯恩说道。他告诉我，他有些患神经退行疾病的家人和朋友在痛苦中去世，这是他进行动物实验的个人动机。

伯恩自己的研究工作围绕灵长类视觉皮层中心开展，在探究基础科学的问题的同时，他也进行脑机接口和神经义肢的应用研究。他的团队正在测试一个微线圈装置，该装置可以通过电信号将信息传输到大脑中；伯恩研究中使用的恒河猴是少数几个具有“高分辨率视觉能力的物种，这种能力是测试这些设备是否能代替自然视觉所必需的”，他解释说。

“据我所知，几乎所有从事基础生物研究的人都喜爱动物。”伯恩说，“ 我们进行基础研究的部分原因是，动物对我们而言很神秘，大脑的演化很奇妙，我们还想知道不同大脑、不同生物如何能解决相同的问题。我们对动物感到好奇，我们也热爱它们。我认识的几乎所有研究者都养宠物。”但这都无法改变一个事实：当好奇心注入基础研究，代价随之而来。伯恩继续说道，“我们确实在对动物造成伤害，我们剥夺了它们的自由，在它们身上进行手术。”尽管灵长类动物的手术照料标准与人类等同，“只要你动过手术，你知道那感觉有多惨。”

于是一个难题摆在我们面前：如果现代科技可以大幅度减少许多实验动物的疼痛体验，是否意味着科学家们可以随心所欲地使用动物呢？“我不认为存在一个先验的哲学回答能告诉我们是否该这样做。”伯恩说，“这个价值判断要靠我们的社会来做。这需要社会成员广泛讨论。”

我离开了伯恩的办公室，走过长廊时，前面有个技术员推着一车苹果片和葡萄。当他挤进灵长类实验动物饲养区大门时，我往里瞄了一眼，猴子们在铁丝网笼子里上蹿下跳，想着马上能吃到“下午茶”就兴奋地大喊大叫。

基础科学研究是一场赌博。你开展实验的时候并不知道哪些可以实现。在我读博期间，我的努力换来了一个有趣的科学成果：大鼠视觉脑区中编码的关于运动的信息比人们认为的要多。我认为这些用动物生命得来的数据是值得的，因为每一块知识碎片都加深了我们对大脑运作机制的了解。有朝一日，我的数据或许会为科学家和工程师提供基础知识，为治愈疾病或开发神经义肢添砖加瓦。

但不可否认的是，我仍旧感到不安。基因工程改造的无痛觉小鼠可能无法解决问题。没有痛觉是为了谁呢？是为了动物还是为了我们自己？或许我们会开展社会讨论，然后在某一天判定动物实验非法，或者在关爱动物和基础研究间达到更好的平衡。至于现在，我不能让我的情感干扰工作。我必须头脑清楚并集中精力，确保动物在实验中受到最好的照料。我会竭尽全力减少它们的痛苦。

至于大鼠GRat66，尽管她余生并不会遭受太多痛感的折磨，她也不会享受到自由、抚育子女与亲密关系的乐趣。阿片类药物、利多卡因还有异氟烷会确保它免受昔日活体解剖实验的苦楚。即便如此，整个实验过程一定宛若噩梦。一片沉重的塑料代替了她的头皮。她看不见这个塑料片，当她想要靠近水源的时候，她头上的植入物就会撞到水嘴。在手术后的第一天，她不能理解为什么“有些东西”阻止她如愿向前跑。然而她很快就适应了这种状况，大概在一周后，记录实验就开始了。对大鼠来说，这不过意味着现在有一根细绳从她头上的电子元件延伸出来，像孩子牵着气球一样把她连接在了电脑上。

现在，大鼠GRat66有房子，有食物，有足够的花生酱，她不知道外面真实的世界是什么样的，丝毫不知道那里尽是随时可能吃掉她的捕食者。在记录之后，她会在我分析数据时享受几个月的安宁。即便如此，在实验结束时，为了验证实验是成功的，我需要从大鼠GRat66那里索取最后一样东西：她的大脑。我需要杀掉她来获得她的大脑。

翻译：Hangyu；审校：曹安洁、DUFF、Jeanny；编辑：小葵花

6月，人工智能领域的巨擘DeepMind公司发布了一个新程序。无需人类介入，该软件能自动从虚拟三维空间单个视角的照片推断出整个空间的布局，并给出在其他全新视角下可能看到的画面。只要给它几张三维迷宫的图片，这个叫做生成查询网络（GQN）的程序就可以模拟出整个迷宫的布局。

该程序不仅有显而易见的技术应用前景，也让神经科学家颇感兴趣。因为用来训练该程序完成任务的算法利用了“现实和预测之间的偏差”，项目领导者之一阿里·伊斯拉米（Ali Eslami）说。

他在DeepMind的同事及论文共同作者达尼洛·雷森德（Danilo Rezende）说：“算法能够调整它（预测性）模型中的参数，使得以后再碰到相同情况时，少一些‘惊讶’。”

神经科学家想到的，是预测性编码理论（实际上，这正是启发GQN团队的灵感之一）。该理论认为，在认知过程的每一个层级，大脑都会建立模型，或者说生成信念，去预测它从低层级脑区会接收什么样的信号，这些信念被翻译为一种在特定情况下会有哪些感觉体验的预期，这样就可以解释外界发生了什么，并理解体验的意义。这些预测随后被向下传输，反馈到低层级的感觉脑区。大脑会将反馈来的预测和实际的感觉输入进行比较，判断导致差别（或者说预测误差）的可能原因，通过内在的模型“抹平”部分差别；无法被解释并消除的预测误差，则作为前馈（feedforward，与反馈正相反）信号被传输到高层级的脑区，在那里它们被视作有价值的信息，需要加以注意并适当处理。

“这时，需要的就是调整内在模型，即大脑的动态，来抑制预测误差。”卡尔·弗里斯顿（Karl Friston）说，他是伦敦大学学院的著名神经科学家，也是提出预测性编码假说的先驱之一。

过去十年间，认知科学家、哲学家和心理学家，将预测性编码视为一个重要理论，尤其是作为感知运作机制的有力解释。更有人充满野心地认为，它是可以解释整个大脑机制的大一统理论。然而，很长时间以来，我们都没有足够的实验工具，来直接测试该假说描述的具体机制。随着技术发展，更显著的新证据在近两年开始涌现。同时，早期一些里程碑式的证据的可重复性受到了质疑。

咖啡、奶油和狗

“我的咖啡加了奶油和__。”在这句话的空格里，似乎只有填进“糖”是最自然的。加州大学圣迭戈分校（University of California, San Diego）的认知科学家玛尔塔·库陶什（Marta Kutas）和史蒂文·希利亚德（Stenven Hillyard）在20世纪80年代做了一系列实验，将上面这句话逐词呈现给参与者，同时记录他们的大脑活动。然而最结尾处不是“糖”，随着最后一个词显示出来，人们看到的是“我的咖啡加了奶油和狗。”

研究者观察到，当实验被试看到出人意料的单词“狗”时，他们的大脑反应更大，而且显示出了一种特殊的脑电活动模式，他们称之为“N400效应”，即该单词出现约400毫秒后脑电波达到峰值。问题是，大脑是因为该单词不符合句子的上下文语义而产生N400效应，还是因为它违反了大脑的预期？

2005年，库陶什和她的团队进行了另一项研究，实验结果支持了“违反大脑预期”这一解释。在该研究中，逐词呈现的句子是：“今日微风习习，因此男孩去户外放（fly）__”。因为“风筝”（a kite）是最有可能的结尾，因此被试会预期下一个看到词应该是冠词“a”。而当被试看到的是“an”而非“a”时——这就代表最后一个单词是元音开头，比如“飞机”（an airplane）——他们的大脑出现了N400效应。这时，该效应显然和冠词的语义无关（冠词没有语义），也和处理视觉刺激本身的难度无关，而是和冠词所提供的对下个单词的预期有关。

2005年的研究似乎非常符合预测性编码的理论框架，但是去年4月，在《eLife》上发表的一篇论文称，数个实验室都无法重现实验的结果。目前，其他的研究者也纷纷回应，其中一些声称，在复制实验中，实验方法存在细微差别，但对它们分析结果依然更支持预测性编码解读。

这些来回往复的争辩，很大程度上反映了围绕预测性编码本身的争论。类似库陶什做的实验可以有多种解读：除了预测性编码理论，还有很多模型可以解释它们的实验现象。这些实验都不能给出预测性编码理论的决定性证据，因为它们尚未挖掘到深层机制。尽管预测性编码理论已经对“大脑持续做出推断并与实际情况比较”的想法做了深入阐释，但是理论的支持者依旧在苦苦寻找证据，以证明他们讲述的故事是“唯一正确版本”，并可以扩展到所有类型的认知。

贝叶斯大脑和高效计算

预测性编码的基本观点——大脑持续地对当下体验做出预测并评估预测——并非一直都被当作理所当然。20世纪的主流神经科学将大脑描述为一个特征检测器：感知、处理、然后行动。神经元的活动代表物理世界中刺激的在场或缺乏。比如说，视觉皮层的一些神经元对视野中的物体边缘反应，另一些的发放则反映了物体的方向、颜色和灰度。

但是，事实证明这个流程并非我们想象中那样直接。进一步实验发现，当你的目光随着一根长长的直线延伸到远处时，虽然视野中的直线还在，检测直线的神经元会停止发放，就好像这条直线消失了一样。而此时，神秘的“自上而下”反馈连接中，却好像有许多信息通过。

这就轮到“贝叶斯大脑”登上舞台了。这个根源可以追溯到19世纪60年代的普适框架彻底颠覆了传统理论。该理论认为，大脑基于其内部的模型对外部世界做概率推断，换句话说，它在尽可能地猜测它应该对感知到的东西作何理解；这和贝叶斯统计原理是一致的，即用过去的经验和当前的体验，判断某个事件发生的概率。大脑并不只是消极地等待感觉输入来驱动认知，而是持续主动地建立“世界如何运行”的假说，并用这些假说来解释感觉体验、补充缺失的部分。这就是为什么，有些专家认为感知是“受控的幻觉”。

按照同样的思路，贝叶斯大脑模型也能解释视错觉如何产生。比如，屏幕上交替闪动的两个亮点看上去像是一个点在来回移动，于是我们的大脑就无意识地将它们看作是同一个亮点。对物体移动的理解是高层级的，但是它却能从根本上影响我们低层级的感知。大脑就是这样填补信息空洞——在这个例子中，缺失的是物体的运动——以绘制出并不完全准确的世界图景的。

尽管科学家们已经明确了生成模型以及预期在大脑功能中的重要性，却依然无法确切指出它们到底是如何通过神经回路实现的。“相对来说，贝叶斯大脑版本的故事对于其底层的机制抱着不可知论的态度。”爱丁堡大学的心灵哲学教授马克·施普雷瓦克（Mark Sprevak）说。

说回预测性编码理论。它为大脑如何做贝叶斯推断提供了具体的公式。“预测性编码”一词原本指通信工程中一种让远程通信更高效的技术。因为视频文件帧与帧之间通常包含许多冗余，压缩数据时编码每一帧的每一个像素很没效率，更有效的方法是相邻帧之间的差异进行编码，再反向操作来解码整段视频。

1982年，科学家发现在神经科学中也可以巧妙运用这个想法，因为它能解释视网膜的神经元如何编码在视神经上传输的视觉刺激。人们也坚信它是大脑奖赏系统的运作原理：多巴胺神经元编码的是预期奖赏和实际奖赏间的差异强度。研究者们认为，这些预测误差帮助动物更新未来的预期，并驱动它们的决策。

虽然那么多例子摆在这儿，过去的科学家们大多还是认为，预测性编码只是专用于几个特定大脑网络的原理。现在，运用功能核磁共振成像（fMRI）等方法的实验已经开始改变这个观点了。

一个统一的架构

预测性编码假说如此具有说服力，部分原因来自其强大的解释力。“令我信服的一点在于，许多东西都可以在这个故事中得以阐明。”安迪·克拉克（Andy Clark）说。他是爱丁堡大学的逻辑学和形而上学教授，也是预测性编码理论专家。

首先，它将感知和运动控制统一纳入了同一个计算过程。它们本质上是一枚硬币的两面：尽管使用的是两种不同的方法，但大脑都在尽量消除预测误差。在感知中，大脑是在调整内部的模型；而在运动控制中，调整的是实际环境——想象一下，如果你想要举手，而手还没举起来，这个差异就会产生巨大的预测误差，这个误差只需你移动手臂就能消除。

感知和运动控制领域的一些实验也为预测性编码提供了最强有力的证据。例如，6月发表在《神经科学杂志》（Journal of Neuroscience）的一篇论文中，实验者要求被试看着屏幕，他们看到了屏幕上的单词“kick”，随后他们又听到了一段音频。音频原本录的是“pick”，但是经过了音频处理，像是压着声音说的，这让大多数被试都汇报说他们听到的是“kick”。而fMRI扫描显示，大脑响应最剧烈的是开头的音“p”或“k”。这说明大脑在表征预测误差，因为如果大脑表征的仅仅是实际的感官体验，那么响应最剧烈的应该是在屏幕上和音频中都出现的“ick”，而非与预测误差相关联的“p”或“k”。

还有一些学者努力将预测性编码理论扩展到感知和运动以外的领域，试图将其定性为大脑中一切活动的“通货”。“这就像是积木，能构建出不同大脑功能结构的积木，”克拉克说。不同的脑区之间交易的就是不同种类的预测。

弗里斯顿等人声称，这也适用于更高级的认知过程，包括注意力和决策。最近对前额叶脑区进行的计算神经科学研究，就提示了在工作记忆和目标导向的行为方面，预测性编码也有参与。一些研究者论证道，情绪过程也可以用预测性编码的方式来描述：情绪可能是大脑为了减小对身体状态（比如体温、心率、血压）的预测误差而表征出的状态，当大脑认识到自己激动、焦虑和不安时，它知道的是自己的这些身体指标飙升了。或许，这也是“自我”这个概念涌现的起点。

这一系列的研究大多数着眼于借助预测性编码理论，解释神经精神病和神经发育紊乱的原理。弗里斯顿说：“如果大脑是一台做统计推断的机器，那当它出错时，它会犯统计学家常犯的错。”也就是说，它会因为高估或忽视预测及预测误差而做出错误推断。

例如，自闭症的某些特征，可能是由于大脑无法忽略最低处理层次的感觉预测误差而产生的。这可能导致对感觉的过度关注，对重复和可预测性的渴求，对某些错觉的高度敏感以及其他反应。精神分裂症等与幻觉相关的病症则可能与之相反：对正在发生的事情，大脑可能会过度依赖自己的预测，而不够重视与这些预测相矛盾的感官信息。（不过专家们也不忘提醒，自闭症和精神分裂症的成因是复杂的，不能简化为单一的解释或机制。）

耶鲁大学医学院的临床神经科学家菲利普·科莱特（Philip Corlett）说：“它给我们最深刻的启示是，我们的心智功能竟然如此易受影响。” 科莱特的实验室进行过一些实验，他们能在健康的被试脑中建立新的“信念”，让他们产生正在体验曾经接受过的刺激的幻觉。（在其中一个实验中，科学家将一个图案作为条件刺激和一个音调联系一起，当被试看到图案时，即使没有声音，他们也以为自己听到了那个音调。）研究者正试图弄明白这些信念是如何被转化为感知的。通过这些研究，“我们有证据表明感受和认知并没有那么泾渭分明。”科莱特说，“新的信念可以被植入，并影响你的感知。”

然而，证据还不足以确证结论——直到现在。

聚焦一下，仔细看看

“我们的实验工作经常表明，实验结果与预测性处理的假说兼容，但这并不意味着预测性编码是最佳解释。”施普雷瓦克说。预测性编码理论在认知科学领域中被广泛接受，但“在系统神经科学领域，它仍然处于弱势，” 瑞士弗里德里希·迈瑟生物医学研究所的神经科学家格奥尔格·凯勒（Georg Keller）说。他的实验室正试图用更确凿的证据改变这一局面。

在去年发表于《神经元》（Neuron）的一项研究中，凯勒和他的同事观察到小鼠视觉系统中出现了一种神经元，它们的预测能力可以随着时间的推移变得更强。该发现源于一场意外：当他们开始在视频游戏中训练小鼠时，发现虚拟世界的方向弄颠倒了。通常，只要小鼠向左转，它们就会看到视野向右移动，反之亦然。但有人不小心左右翻转了研究人员在研究中使用的虚拟世界，因此老鼠一旦左转，视野也会向左移动。研究人员意识到这个失误有意想不到的价值。他们监测小鼠脑中表征这种视野流动的信号，发现随着小鼠逐渐熟悉倒置的环境，该信号也缓慢地变化着。凯勒说：“这些信号看起来像是对视野向左流动的预测。”

如果该信号表征的只是小鼠的视觉感官体验，那么小鼠进入虚拟世界时它们就会立即翻转。如果它们是运动信号，根本就不会翻转。事实是，“它关乎识别预测，”凯勒说，“给定运动方向下，对视野流动的预测。”

“这项工作提供了一种前所未有的证据。”克拉克说，“这项证据具体到了非常局部的每个细胞、逐个层级，于是我们可以清晰地看到，预测性编码是最佳适配模型。”

巧合的是，几乎同时，有人在猕猴大脑的面部识别脑区发现了类似的现象。以往的研究已经显示，该脑区神经网络的较低层级上，神经元对以方向为基础的面部信息编码，比如说，有些神经元专门在看到侧脸时发放。而在较高的层级，神经元以更为抽象的方式表征面部信息，它们在乎的是脸的“身份”，而非位置。

在这个猕猴研究中，研究者先训练猴子，让它们看两张脸，先出现的一张脸总是透露一些有关第二张脸的信息，让猕猴可以对第二张脸进行一定预测。随后，实验者用特定的方式干扰它们的预期，比如用不同角度呈现第二张脸，或者两张脸没有丝毫联系。结果，在面部处理网络的低级神经元发现了与面部朝向无关的预测误差——猕猴预测“身份”出了差错。这些错误源于系统较高阶层，也就是说，低阶神经在比较感官输入与高阶传输下来的预测时，产生了错误。

“在那个系统中发现了预测误差，并找到了预测的具体内容，让我很激动。”该论文的第一作者，德国哥廷根欧洲神经科学研究所的神经科学家卡斯帕·施维兹克（Caspar Schwiedrzik）说。

马克斯·普朗克经验美学研究所的研究员露西亚·梅罗妮（Lucia Melloni）则称，她的小组在人类实验搜集到的一些神经数据也可以用预测误差解释。

寻找超级预测机器的竞赛

支持大脑采用预测性编码的证据似乎更强大了，但不是所有人都被说服了。一些科学家承认这个理论可以解释认知的某些方面，但并不认同它可以解释一切。还有些人丝毫没有被预测性编码理论打动。纽约大学心理学教授大卫·海格（David Heeger）提出，关键在于区分“预测编码”（重点是高效地传输信息）以及“预测处理”（他将其定义为做出预测的历时性过程）这两个概念。

他说：“过往的文献中存在很多混淆，因为那些研究者以为只要不加区分地一锅乱炖就可以了。”他说， “这种做法有时候会导致错误，甚至可能把研究的大方向都带偏了。”他举例说明道，在某些情况下，其他类型的贝叶斯模型可能会提供更准确的脑功能描述。

该领域的许多专家普遍认同的是，这项研究在机器学习领域的应用潜力不可估量。目前，绝大多数人工智能研究都不涉及预测编码，而是关注其他类型的算法。

但弗里斯顿认为，在深度学习环境中建立预测编码架构，可以使机器更接近智能。

DeepMind的GQN就发挥了这一潜能。去年，苏塞克斯大学的研究人员甚至使用包括预测编码功能的虚拟现实和人工智能技术，创建了他们所谓的“幻觉机”，这种工具能够模拟通常由迷幻药物引起的幻觉状态。

通过比较预测编码模型与其他技术的表现，机器学习领域的进展还可以为我们提供关于大脑的新洞见。至少，将预测编码引入人工系统可以显著提高这些机器的智能水平。

但在此之前，还有很多工作要做。科学家需要将凯勒、施维兹克等人正在进行的研究继续推进，以回答大脑在哪些地方进行内部表征等问题。此外，类似的实验是否能够发现支持预测性编码参与更高级的认知过程的证据，目前也悬而未决。

格拉斯哥大学的神经生理学家拉尔斯·木克里（Lars Muckli）指出，预测性编码“对于神经科学来说，就像演化论对于生物学一样重要”。但就目前而言，施普雷瓦克表示，“还不到判决的时候。”

编译：顾金涛

校对：有耳

编辑：EON

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