杨天明 中国科学院神经科学研究所研究员 一席第701位讲者
我们研究大脑怎么做抉择,这也可以探索我们到底有没有自由意志这个东西。

大家好,我是来自中科院神经科学研究所的杨天明。

我们都知道大脑是一个非常神奇的机器,它可以在非常复杂的环境当中,利用一些模糊的信息来帮助我们做抉择。想象你在一个非洲草原上,一堆杂草后面突然出现一个阴影,你的大脑需要在很短的时间里,判断这个阴影是一个凶猛的野兽,还是一个没有任何威胁的小鹿,然后你可以做出决定,应该逃走还是继续游览。

这种能力帮助我们在千百万年的进化过程中存活下来,但我们目前对它的了解却很有限。这就是我今天要跟大家聊的主要内容。

我们知道大脑分成了很多不同的区域,有些区域负责视觉,有些区域负责听觉,那大脑中是不是有一个区域负责我们的抉择呢?是不是如果这个区域受到损伤,我们就没办法做很好的决定呢?

为了解答这个问题,我们先从一个神经科学界的历史名人说起,他的名字叫做菲尼斯·盖吉。 

盖吉是19世纪的一个美国铁路工人。大家肯定觉得很奇怪,一个铁路工人为什么会变成神经科学领域的名人呢?这是因为有一年,他在工地工作的时候很不幸地发生了一个事故,他装填的炸药突然爆炸了,他手里的一根铁棍因为爆炸飞出,穿过了他的整个头部。是他事后拍的一张照片,他手里拿的这根就是当初穿过他头部的铁棍。

后来医生、科学家重建了当时发生的场景,发现这根铁棍是从他的眼眶下面自下而上穿过他左侧的大脑。

但不幸中的万幸是,这根铁棍非常直,而且没有任何毛刺,边缘非常光滑,因为这个爆炸的力量相当大,所以整根铁棍以非常快的速度穿过了大脑,产生了一个相对比较整齐的创伤,没有对大脑的其他部位造成损害。所以他受到的伤比较有限,最后存活了下来。

不过,他大脑前部很大的一块都已经被破坏了。而大脑的前部,也就是图中红色的部分,被称作前额叶,是我们人类高级认知的中枢。这个人虽然活下来了,但前额叶这么大一块受到创伤,他是不是就变成傻子了?

但很有趣的是,在经过一个短暂的恢复之后,医生给他做了各种鉴定,发现他的智力水平跟正常人没有什么不一样。他还可以看书写字,还可以做数学题,表面上看起来他似乎完全正常。

但是如果你是他身边亲近的人,你就会发现他似乎完全变了一个人,尤其是他的性格发生了很大的变化。在事故之前,他是一个十分和蔼可亲,大家都喜欢的人,但是在事故之后,他变得非常暴躁,非常容易生气。他有时候会很高兴,有时候又会发狂,反复无常。而且更重要的是他变得非常冷漠,他不能体会到别人的感受。他的情感这一块产生了很大的问题。

除此以外,他在抉择方面也出现很大的问题。在受伤之前,他在工地担任一个小工头的角色,所以他负责规划每天每个人在工地上的工作。但在他受伤之后,他失去了这种规划的能力,他做事由以前的井井有条变得杂乱无章。他有时非常固执听不进别人的意见,有时做决定又非常犹豫,不知道应该怎么办,所以他很快就丢掉了工作。 

可能大家会觉得非常奇怪,盖吉的大脑在事故中受的这个伤,为什么会同时在情感跟抉择这两个方面对他造成影响呢?那我们就要从他受伤的这个部位说起。 

我刚才说了,大脑的前额叶是我们人类的高级认知中枢。人的前额叶比猴子、黑猩猩、大猩猩之类的要发达很多,被科学家认为是我们比其他动物要聪明很多的原因之一。而前额叶当中一个非常重要的部分,就是我这边画出来的眶额叶。

眶额叶是一个非常有趣的区域,它在大脑中可以接收从感觉系统传来的感觉信息,比方说视觉信息,同时它还是大脑奖赏环路的一部分,它接收到关于奖赏的信息。通过把两方面的信息整合在一起,它能够告诉我们,我们现在看到的、接触到的东西,对我们来说有多少价值,有多大好处,帮助我们做出判断和抉择。

在我们实验室就做过这样一个实验。我们在猴子的大脑中埋入非常细小的电极,它们的直径只有100微米左右,它可以告诉我们猴子单个神经细胞的活动,然后通过对它的记录,我们就可以知道在猴子做思考做抉择的时候,大脑的神经细胞在做什么。

在这个实验里,我们首先会在屏幕上给猴子看一些图片,比方说五边形,然后在猴子看完图片之后我们会给猴子一些果汁喝。这样经过几次重复之后,猴子就知道这个五边形是个好东西,每次看到它就有果汁喝。

我们再训练猴子看别的图片,比方说菱形。区别是,每次看到菱形之后,我们会给猴子一大堆果汁喝。这样经过学习之后,猴子就会知道菱形是比五边形更好的一个图形。

猴子在看这些图片的时候,我们去记录它的眶额叶神经元的活性。大家知道,神经元的编码信息是通过发放电脉冲来进行的,在这边我用短直线来表示电脉冲。如果一个神经元它很兴奋,它就会发放很多电脉冲。

我们发现,如果猴子知道它正在看的图片代表很多果汁奖励,价值比较高的时候,眶额叶有一部分神经元就会变得特别兴奋。如果猴子看到一张图片带来的奖励比较少,价值比较低的时候,这些神经元的活性就会不那么强。

也就是说,如果我不知道这些图片是什么意思,我只要去看猴子大脑里眶额叶这类神经元的反应就会知道这个图片对猴子的价值是高还是低。通过这种方式,大脑就可以对奖赏的大小进行编码

当然平时在生活中,肯定不会像实验这么简单就能够判断一个东西是好是坏,眶额叶其实要做非常复杂的计算。而且非常有意思的是,眶额叶做计算的这个过程其实不是我们能够主观体验到的,它是个黑箱操作的过程。这是什么意思呢? 

比方说我给大家看这么一张照片,一个小朋友。大家的感受是什么?你可能会说这是一个比较可爱的小朋友,看到他会比较高兴。至少我希望大家是这么想的,因为这是我们家的小朋友。

但如果我问你,为什么觉得这个小朋友比较可爱?你可能会说,他有圆圆的小脸,大大的眼睛,他张着嘴吐着舌头,露出小白牙微笑的样子,看起来还蛮可爱的。 

但如果你仔细想一想,得到“可爱”这个印象的时候,你是不是用刚才的这些逻辑推理出来的呢?肯定不是,你的大脑不需要这样一步一步地分析来得到这个结果,它一下子就会告诉你,这个小朋友挺可爱的。

同样这家伙也是张着嘴吐着舌头,你肯定不会觉得它可爱。为什么呢?你肯定不会说我仔细计算了它的牙齿有多少颗,它的嘴张得有多大等等。

也就是说不需要经过逻辑的推断,眶额叶就可以对这个东西做出评估,但这个评估的过程其实我们是感受不到的,这也就是为什么说眶额叶是一个黑箱操作的原因。 

所以眶额叶做的事情,就是把感觉信息做一个综合评估,然后用评估结果帮助我们做抉择,另一方面,评估的结果给我们造成了主观的体验,也就是通常所说的情感。如果我们觉得恐惧,那是因为评估系统告诉我们这个东西是应该值得恐惧的。换句话来说,情感跟抉择之间并没有一个因果关系,它们只是评估系统的两个输出而已。

这样,盖吉在抉择和情感两方面的障碍就很容易解释了。

评估系统的工作有一部分是依靠与生俱来的能力,但还有一些是需要经过长期的训练培养出来的,同样可能依赖于非常复杂的计算。打个比方,想象一下如果你是这个足球运动员,球在你的脚下,你要进攻,接下来你会怎么办?你会把球传到左边去,还是右边去,还是自己再带一下看看情况呢?

我们通常说,一个天才足球运动员不仅技术好,很会带球,很会射门,还有非常重要的一点就是,他需要有一个非常好的大局观,根据场面知道接下来应该怎么做,这就是眶额叶做的事。经过长期训练,可以让评估系统在非常复杂的环境下,用非常短的时间做出一个正确的选择。

那如果大脑中有这么强大的一个评估系统,我们是不是就永远不会犯错呢?其实并不是这样的。评估系统的一个问题就是,如果你想要它变得非常强大,就要不停地去训练它,不停地学习,不停地锻炼它,但一旦训练完成之后,评估系统就会形成一个定势思维,它经常会让你用一个固定的思路去思考问题。

有些脑筋急转弯就会经常挑战你的定势思维。比方说这个问题,谁能跳得比山高?

它的答案是,山是不会跳的,所以我们谁都可以跳得比山高。为什么刚开始可能想不到这个答案呢,因为这句话其实是有歧义的。

它可以理解为跳的高度要比山高,但是它也可以理解为你和山跳起来的高度谁更高一些,正常情况下,根据定势思维,你不可能让山去跳一下,所以评估系统就直接把第二种可能性给过滤掉了。你要是回过头来思考第一种可能性,谁能跳得比山的高度高,那显然就不会得到正确答案。所以说,大脑的评估系统带来的一个定势思维,有时候反而会对你做出正确判断造成一些障碍。

还有一些场景,对大脑的评估系统来说也是一个问题。比方说去超市买饮料,选择非常多,很可能会迷失,不知道应该选什么。当你有非常多的选择时,评估系统其实不能一下子帮你很快地做出抉择。

那通常你会怎么做呢?我不知道大家是怎么选的,但如果我去超市买饮料,我会先从货架上拿起一瓶饮料来,把注意力集中在这一瓶饮料上,看一下它的口味、颜色、卡路里、成分之类,然后做出一个对这瓶饮料的评估。接着,我会再把注意力切换到另一瓶饮料上。通过几次注意力的切换,我在评估过若干个选项之后,就可以根据这些评估结果做一个综合判断,选定想要的饮料。

换句话来说,大脑当中存在着另一套系统,它可以通过注意力的切换来引导我们的评估系统,逐一地对面前的各项选择做出评估,我们把这个系统叫做推理系统

推理系统位于大脑中的哪个位置呢?我们现在还在研究,在领域里目前没有一个确定的答案,但我们知道,至少在前额叶中有一个叫背侧前额叶的子区,对推理系统非常重要,它负责引导注意力,告诉我们现在注意力应该放在哪里,怎么综合信息来做出判断。

推理系统相对于评估系统来说有一个特点,它不是黑箱操作的,你在做思考的时候是非常有逻辑的,可以一步一步地来,知道先做什么再做什么,就像刚才选饮料的过程,这当中有一个逻辑关系,主观上是可以感受到的。一旦出了差错,也可以从推理的角度来进行反省,究竟哪里出了问题。所以我们的推理系统非常灵活,很善于学习。

有意思的是,当你在做这样的推理时,大脑中就有那么一些神经细胞、神经元,会忠实地反映你推理的过程。在我们实验室也有一些实验,专门研究大脑中的这些神经元。

举这样一个例子,还是足球。比方说法国队跟阿根廷队,他们在去年世界杯的八分之一决赛的时候相遇了,在比赛之前如果让你猜哪支队会赢,你会怎么做呢? 

你需要首先分析一下现有的信息。比方说阿根廷队有世界级明星梅西,那这个证据可能偏向于阿根廷队赢多一些;法国队的球员比较年轻,比较有冲劲,活力多一些,这又偏向了法国队。

在这个过程中,你掌握的每一条信息都不能百分之百地告诉你这个胜负关系是怎么样的,每一条信息都有用,要把它们综合在一起,才能得到最好的结果。数学上可以用概率来代表这些信息的含量,所以像这类问题就叫做概率推理。

我们在实验室中怎么研究这类问题呢?我们给猴子做一个简化版的概率推理任务。我们在电脑屏幕上放两个小点,一个红点,一个绿点,让猴子猜它选择哪一个是正确答案,猜对了就可以得到果汁的奖励。

那猴子猜的依据是什么呢?我们会给它看一串图形,每个图形告诉猴子,绿点红点是正确答案的可能性各是多少。图片依次出现,证据不停累积,有时候甚至可以发生反转,然后我们去记录猴子大脑中的神经细胞,研究一下猴子的大脑是怎么做推理的。

我们还是用短竖线来代表神经细胞发放的电脉冲。如果你看见有很多短竖线的话,就代表这个神经元特别兴奋,如果是比较少的竖线,就代表它的活性受到了抑制。下面请大家看一下,这个视频非常短,要集中一下注意力。视频中“嗒嗒嗒嗒”的声音就是脉冲的声音,我们做实验的时候,就是通过倾听这样的声音来感受神经元的脉冲的发放的情况。

大家可能觉得这个视频播放得太快了。可是在真实的实验场景中,猴子在做抉择的时候,这个图形就是这么飞快地过去,每张图形在屏幕上只出现半秒,而猴子非常聪明,经过学习,的确可以完成这个任务。 

一开始前三个图案偏向绿色,这时候神经元的脉冲就非常稀疏,直到第四个图案,证据稍微反转了一些,神经元就突然变得兴奋一点,然后又反转成绿的,神经元又变得不太兴奋,然后又反转成红的,神经元突然就又变得非常兴奋。最终的证据支持红色是正确的答案,猴子也做出了正确的抉择。

猴子在做选择时思考的过程,我们其实是没有办法直接从它的外表和行为来观察到的。但是通过记录这个神经细胞的脉冲活动,我们就可以知道在这个思考过程中,猴子的大脑的确是根据证据一条一条地在进行累积,进行推理。猴子可以做这么复杂的概率问题,是因为大脑有一个非常强大的推理系统

如果推理系统这么有逻辑这么好,总能帮助我们做出正确的决定,那为什么不所有的事情都用推理系统来做呢?

原因是推理系统有一个巨大的缺陷,就是效率低,速度慢,还烧脑子。回想一下刚才那个恐龙的例子,如果是推理系统在全权负责判断出现在你面前的这个生物是好是坏是不是有威胁,你就要去分析这个恐龙的牙齿有多尖,嘴巴张多大,流的口水多不多,眼睛是不是看见你了等等。等你把这些因素都考虑完了,恐怕你也已经被吃掉了。所以,我们的大脑单单靠有着高度逻辑的推理系统是不行的。 

因此大脑的评估系统和推理系统的配合很重要。即使是在一些通常我们觉得非常需要逻辑思维的场景,大脑的评估系统也起到了关键作用。

举个例子,比方说围棋,围棋是一个非常考验智力的游戏,因为围棋的棋盘上有非常多的可能性,如果要在三步之内把所有的可能性都算到,就有超过上百万种的变化。人脑是不可能做到的,非但人脑不可能做到,现在世界上最强大的计算机都做不到在下围棋的时候进行完整的推理。

那我们是怎么下围棋的?我们下围棋的时候其实只会算非常少的部分,包括世界冠军也是这样,他们会运用“棋感”来决定现在棋盘上面哪些位置是最重要的位置,他只在这些很少量的位置上去算棋。 

什么是棋感,这其实就是我们大脑里黑箱操作的评估系统。我们不清楚中间的过程是什么,但它非常高效,可以把复杂的盘面算出来,告诉我们盘面的状况如何,哪里是最关键的位置需要进一步考虑,然后我们就可以运用推理系统进行进一步思考。这要经过长期的训练才能完成,这也是为什么围棋高手比我们要强很多的原因。

所以下围棋很好地体现了我们大脑内两个系统分工合作的例子。现在的人工智能系统也采用了类似的方法,比方说谷歌的阿尔法狗。大家知道2016年的时候,它和当时的世界冠军李世石比赛,4:1获胜。它后来又进一步进化了,现在已经没有人可能在阿尔法狗面前赢上哪怕一盘。

阿尔法狗这个系统是怎么回事呢?它其实就是借鉴了刚才说的推理和评估两个系统的结合。它也会算棋,它是用一种搜索的算法,但最关键的是,它有一个非常强大的评估系统。

因为即使是计算机也不可能把所有的步数给推算出来,所以谷歌用了一个现在最流行的深度学习的技术,来为阿尔法狗做了一个评估系统,这样它推算到某一步的时候就不用再算下去,这个评估系统会告诉它局面是好是坏。评估系统再加逻辑系统的结合,就帮助它可以去战胜世界上最强的人类棋手。

说到现在,我们知道大脑当中做抉择的有推理系统、评估系统,然后这两者结合可以帮我们达到速度和准确度的一个很好的平衡,同时用这些理论可以造出来非常强大的人工智能系统。

当谷歌阿尔法狗的新闻出来的时候,有些人会产生一个恐惧感,会想现在的人工智能这么厉害,是不是马上就要统治人类,会打败所有的人呢?但大家仔细想一想,现在的人工智能其实非常弱,比方说我自己一直幻想的能帮我做家务的机器人,到现在还没有人做出来。

这一类的机器人为什么这么难做呢?它跟谷歌的阿尔法狗有什么差别呢?其实像谷歌阿尔法狗这一类围棋系统,它要解决的是一个非常有局限性的问题,输入、输出还有规则都非常清晰,它的评估系统相对可以做得比较完善。

但是如果是一个家务机器人,它要处理真实环境当中的真实问题,它的评估系统就是一个开放式的,会非常复杂,现在的人工智能还没有能力做这么好的评估系统。哪怕我们的计算机可以每秒钟算上上百万亿次的数学推理,它都无法完成这样的任务。这也是现在人工智能未来的一个发展方向,要做一个更加通用的智能,而不是把问题局限在一个小的方面。我们对抉择的研究,也可以在人工智能的这些研究方向提供帮助,未来可以改善我们的生活。

除此之外,我们的研究还可以给我们带来一些什么东西呢?对我来说,它可以帮助我们理解一些关于大脑更深层次的问题,包括一些困扰了人类很久的问题。比方说,什么是意识?这是困扰了人类上千年的问题,很多哲学家试图来解释什么是意识,我们为什么会有意识。

刚才我提到过,抉择的这两个系统,有一个系统是黑箱操作。黑箱操作在很大程度上就是我们意识下层面,意识下层面的操作我们不知道它是怎么工作的,而推理系统相对来说是在意识上层面的,我们可以意识到推理系统是怎么工作的。所以针对评估、推理系统两个系统的研究,对它们进行比较,分析什么时候是哪个系统在工作,可以很好地帮助我们来了解意识的一些问题。

还有另外一些有趣的问题,比方说,我们到底有没有自由意志?我们通常定义的自由意志是什么呢?我们每天做出各种抉择,它可能是由一些外部的刺激引起的。比方说我中午吃面还是吃馄饨,可能是因为面看上去比较吸引人,所以我选择了吃面,或者是因为我早晨吃过馄饨了,所以我选择了吃面。像这一类的抉择,你可以说影响我抉择的全部原因都是外界给我的刺激,或者说过去某一段时间的记忆,记忆追根溯源同样也是外界的刺激造成的。

但有人不同意,有人会觉得我们是有自由意志的,也就是在我们内心当中,在我们的大脑当中还有一个我,它可以独立于这些外界刺激来帮助我们做出抉择。这个问题听起来很玄,但它其实在道德层面,甚至法律层面都有意义。比方说一个人犯了杀人这样的罪行,你要给他定罪,如果你认为人没有自由意志,他可以说我之所以杀人完全都是因为外界刺激所造成的,不是我自己的选择。

自由意志归根到底是一个抉择的问题,我们研究抉择,我们去看抉择是怎么做出来的,是由外界刺激造成的,还是外界刺激加记忆,还是再加某些我们说不清楚的东西造成的抉择,这样可以帮我们探索,我们有多大程度上存在,或者不存在自由意志这个东西。

好,我今天讲的就到这里,谢谢大家。

+完整演讲稿
你在做抉择的时候,大脑是怎样工作的?
#科技 /杭州/2019.06.15
我们研究大脑怎么做抉择,这也可以探索我们到底有没有自由意志这个东西。
评论(67)
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136****0225
0 0
2019/11/30
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冉燃
0 0
期待老师更多很有意思有意义的内容
2019/11/25
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再见孙悟空_
0 0
讲得很好,条理清晰,通俗易懂
2019/10/24
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晟美_神玉国际_王伟
0 0
老师好紧张啊
2019/10/23
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一席鼓励分享见解、体验和对未来的想象,做有价值的传播。2012年成立于北京,一席现场演讲,目前在北京、上海、广州、杭州、深圳、武汉、香港、台北等城市举办。