现实的神经科学

“我们不是如实地看待事物，而是以我们自己的方式看待事物。”
——摘自阿奈斯·宁 (Anaïs Nin) 的《牛头怪的诱惑》（1961 年）

On the 10th of April 2019 Pope Francis, President Salva Kiir of South Sudan and former rebel leader Riek Machar sat down together for dinner at the Vatican. They ate in silence, the start of a two-day retreat aimed at reconciliation from a civil war that had killed some 400,000 people since 2013. At about the same time in my laboratory at the University of Sussex in England, Alberto Mariola, then a Ph.D. student, was starting to work on an experiment in which volunteers experienced being in a room they believed was there but was not. In psychiatry clinics across the globe, people arrive complaining that things no longer seem “real” to them, whether it is the world around them or their own selves. In the fractured societies in which we live, what is real—and what is not—seems to be increasingly up for grabs. Warring sides may experience and believe in different realities. Perhaps eating together in silence can help because it offers a small slice of reality that can be agreed on, a stable platform on which to build further understanding.

我们无需求助于战争和精神病来寻找截然不同的内心世界。2015 年，一张曝光不良的连衣裙照片在互联网上疯传，将世界分为两类人：看到它是蓝色和黑色的人（包括我）以及看到它是白色和金色的人（我的半个实验室）。那些以一种方式看到它的人如此确信自己是对的——连衣裙确实是蓝色和黑色或白色和金色——以至于他们几乎无法相信其他人可能会以不同的方式感知它。

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我们都知道我们的感知系统很容易被愚弄。视觉错觉的流行证明了这一现象。事物看起来是一种样子，但实际上是另一种样子：两条线看起来长度不同，但测量后它们是完全相同的；我们在我们知道是静止的图像中看到运动。通常关于错觉的故事是，它们利用了感知回路中的怪癖，因此我们感知到的东西偏离了实际存在的东西。然而，这个故事隐含的假设是，一个正常运作的感知系统会将事物精确地呈现给我们的意识，就像它们本来的样子。

更深层次的真相是，感知永远不是通往客观现实的直接窗口。我们所有的感知都是主动构建的，是大脑对一个世界的本质的最佳猜测，这个世界永远被感官面纱所遮蔽。视觉错觉是“黑客帝国”中的裂缝，是对这个更深层次真相的短暂一瞥。

以颜色的体验为例——比如，我桌子上咖啡杯的鲜红色。这个杯子看起来确实是红色的：它的红色看起来和它的圆形和坚固一样真实。我体验的这些特征似乎是世界上真实存在的属性，由我们的感官检测到，并通过复杂的感知机制揭示给我们的心灵。

然而，自从艾萨克·牛顿以来，我们就知道颜色并不存在于外部世界中。相反，它们是由大脑从不同波长的无色电磁辐射的混合物中“烹制”出来的。颜色是进化出的一个巧妙的技巧，可以帮助大脑在不断变化的光照条件下跟踪表面。而我们人类只能感知到完整电磁频谱的一小部分，它位于红外线的低端和紫外线的高端之间。我们感知的每一种颜色，我们视觉世界的每一个部分，都来自这薄薄的一层现实。

仅仅知道这一点就足以告诉我们，感知体验不可能是对外部客观世界的全面表征。它既比那少，又比那多。我们体验到的现实——事物看起来的样子——并不是对实际存在的事物的直接反映。它是大脑为大脑巧妙构建的。如果我的大脑与你的大脑不同，那么我的现实也可能与你的现实不同。

预测性大脑

在柏拉图的《洞穴寓言》中，囚犯们终生被锁在空白的墙壁上，以至于他们只能看到身后火焰旁经过的物体投下的阴影，他们给阴影命名，因为对他们来说，阴影才是真实的。一千年后，但仍然是一千年前，阿拉伯学者伊本·海赛姆写道，此时此地的感知依赖于“判断和推断”的过程，而不是直接访问客观现实。又过了数百年，伊曼努尔·康德意识到，不受限制的感官数据的混乱总是毫无意义，除非通过预先存在的概念或“信念”赋予其结构，对他来说，这些概念或“信念”包括先验框架，如空间和时间。康德的术语“本体”指的是“自在之物”——Ding an sich——一种客观现实，它对人类感知来说永远是无法接近的。

今天，这些思想通过一系列有影响力的理论获得了新的动力，这些理论的核心思想是大脑是一种预测机器，对世界（以及其中的自我）的感知是一个基于大脑的关于感官信号原因的预测过程。

这些新理论通常可以追溯到德国物理学家和生理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹，他在 19 世纪后期提出，感知是一个无意识推断的过程。在 20 世纪末，亥姆霍兹的观点被认知科学家和人工智能研究人员所采纳，他们将其重新表述为现在普遍称为预测编码或预测处理的概念。

预测性感知的核心思想是大脑试图通过不断地对其感官输入的成因做出和更新最佳猜测来弄清楚世界（或身体内部）中存在什么。它通过将先前的期望或关于世界的“信念”与传入的感官数据结合起来，以一种考虑到感官信号可靠性的方式形成这些最佳猜测。科学家通常将这个过程理解为贝叶斯推断的一种形式，贝叶斯推断是一种框架，它规定了当信念或最佳猜测都充满不确定性时，如何用新数据更新它们。

在预测性感知理论中，大脑通过不断生成关于感官信号的预测并将这些预测与到达眼睛和耳朵（以及鼻子和指尖以及身体内外所有其他感官表面）的感官信号进行比较来近似这种贝叶斯推断。预测的和实际的感官信号之间的差异产生了所谓的预测误差，大脑使用这些预测误差来更新其预测，为下一轮感官输入做好准备。通过努力在任何地方和任何时候都尽量减少感官预测误差，大脑实现了近似贝叶斯推断，而由此产生的贝叶斯最佳猜测就是我们感知到的。

为了理解这种观点如何显著地改变我们对感知神经基础的直觉，从大脑中信号流动的自下而上和自上而下的方向来思考是有帮助的。如果我们假设感知是通往外部现实的直接窗口，那么很自然地会认为感知的content是由自下而上的信号携带的——那些从感官表面向内流动的信号。自上而下的信号可能会对感知到的东西进行情境化或润色，但仅此而已。称之为“事物看起来的样子”的观点，因为它看起来好像世界正在通过我们的感官直接向我们揭示自身。

预测机器的场景非常不同。在这里，感知的繁重工作是由传达感知预测的自上而下信号完成的，而自下而上的感官流仅用于校准这些预测，以某种适当的方式将它们与它们在世界中的成因联系起来。在这种观点中，我们的感知来自内部，就像来自外部一样多，甚至更多。感知不是对外部客观现实的被动记录，而是作为一种主动构建的过程而出现——一种受控的幻觉，正如它已为人所知的那样。

为什么是受控的幻觉？人们倾向于将幻觉视为一种虚假的感知，与真实的、符合现实的正常感知形成鲜明对比。预测机器的观点相反，它暗示了幻觉和正常感知之间的连续性。两者都依赖于自上而下的、基于大脑的预测和自下而上的感官数据之间的相互作用，但在幻觉期间，感官信号不再将这些自上而下的预测适当地与其在世界中的成因联系起来。那么，我们所说的幻觉，只是一种不受控制的感知形式，正如正常的感知是一种受控的幻觉形式一样。

这种感知观点并不意味着没有什么东西是真实的。17 世纪的英国哲学家约翰·洛克对“第一性”和“第二性”品质进行了有影响力的区分。物体的第一性品质，如坚固性和空间占用，独立于感知者而存在。相比之下，第二性品质仅与感知者相关而存在——颜色就是一个很好的例子。这种区分解释了为什么将感知理解为受控幻觉并不意味着可以随意跳到公共汽车前面。公共汽车具有坚固性和空间占用等第一性品质，这些品质独立于我们的感知机制而存在，并且可能对我们造成伤害。公共汽车在我们眼中呈现的方式是一种受控的幻觉，而不是公共汽车本身。

实验室中的迷幻体验

越来越多的证据支持感知是受控幻觉的观点，至少在它的广阔轮廓中是这样。威尔士卡迪夫大学的克里斯托夫·图费尔及其同事在 2015 年的一项研究提供了一个引人注目的例子。在这项研究中，对早期精神病且易患幻觉的患者评估了识别所谓双色调图像的能力。

看一下下面的照片——一个双色调图像的样本。你可能只会看到一堆黑白斑点。现在看看下面的图片。然后再看看第一张照片；它应该看起来相当不同。在以前是斑点状混乱的地方，现在有清晰的物体，并且正在发生一些事情。

我发现这个练习 remarkable 的地方在于，在你第二次检查第一张图像时，到达你眼睛的感官信号与你第一次看到它时完全没有改变。所有改变的只是你的大脑对这些感官信号成因的预测。你获得了一个新的高层次感知期望，这改变了你意识到的东西。

如果你给人们展示许多双色调图像，每张图像之后都跟着完整图片，他们随后可能会识别出很大一部分双色调图像，尽管不是全部。在图费尔的研究中，早期精神病患者在看过完整图像后，比健康的对照组更能识别双色调图像。换句话说，易患幻觉与感知先验对感知产生更强的影响有关。如果精神病中的幻觉依赖于感知先验的过度加权，以至于它们压倒了感官预测误差，使感知最佳猜测脱离了它们在世界中的成因，那么这正是预期的结果。

过去几年的研究揭示了更多关于这个故事的信息。在 2021 年的一项研究中，纽约大学的何碧玉及其同事让神经外科患者观看模糊图像，例如内克尔立方体，即使感官输入保持不变，这些图像也会在两种不同的外观之间不断翻转。通过分析从患者大脑内部记录的信号，他们发现，当感知的外观与患者的偏见一致时，信息以自上而下、“由内而外”的方向流动得更强，如果感知预测在这种情况下很强，这是可以预期的。当感知的外观与预先存在的偏见不一致时，信息流以自下而上的方向流动得更强，这表明存在“预测误差”信号。这是在绘制受控幻觉的大脑基础方面令人兴奋的新进展。

在我的实验室里，我们采取了不同的方法来探索感知和幻觉的本质。我们没有直接研究大脑，而是决定使用由 VR 大师铃木圭介 (Keisuke Suzuki) 设计的独特虚拟现实装置来模拟过度活跃的感知先验的影响。我们开玩笑地称之为“幻觉机器”。

我们使用 360 度摄像头，首先在星期二午餐时间录制了苏塞克斯大学校园繁忙广场的全景视频片段。然后，我们通过基于谷歌 AI 程序 DeepDream 的算法处理了这些片段，以生成模拟幻觉。发生的情况是，该算法采用了一个所谓的神经网络——人工智能的主力之一——并向后运行它。我们使用的网络经过训练可以识别图像中的物体，因此如果你向后运行它，更新网络的输入而不是输出，那么网络有效地将它“认为”存在的东西投射到图像上和图像中。它的预测压倒了感官输入，将感知最佳猜测的平衡倾向于这些预测。我们特定的网络擅长对不同品种的狗进行分类，因此视频异常地充满了狗的存在。

许多通过 VR 头显观看过处理后的片段的人评论说，这种体验与其说是让人联想到精神病的幻觉，不如说是让人联想到迷幻之旅的 exuberantly 现象学。

最近，我们以不同的方式实现了幻觉机器，以模拟不同类型的 altered 视觉体验。通过扩展我们的算法以包括两个耦合的神经网络——一个“鉴别器网络”，很像我们原始研究中的那个，以及一个经过训练可以重现（“生成”）其输入图像的“生成器网络”——我们已经能够模拟不同类型的幻觉。例如，我们已经模拟了帕金森病和某些形式痴呆症患者报告的复杂幻觉体验；黄斑视力丧失后出现的有图案的几何幻觉，正如查尔斯·邦内综合征中发生的那样；以及一系列类似迷幻药的幻觉。我们希望通过更好地理解幻觉，我们也能够更好地理解正常体验，因为预测性感知是我们所有感知体验的根源。

现实的感知

尽管幻觉机器无疑是 trippy 的，但体验过它的人完全意识到他们所体验到的不是真实的。事实上，尽管 VR 技术和计算机图形技术飞速发展，但目前还没有 VR 设置能够提供足够令人信服的体验，以至于无法与现实区分开来。

这就是我们在苏塞克斯设计新的“替代现实”装置时所面临的挑战——当我们与萨尔瓦·基尔和里克·马查尔一起在教皇方济各召集静修会时，我们正在研究的装置。我们的目标是创建一个系统，志愿者在其中体验到一个环境是真实的——并相信它是真实的——而实际上它不是真实的。

基本想法很简单。我们再次预先录制了一些全景视频片段，这次是我们的 VR 实验室内部，而不是外部校园场景。来到实验室的人被邀请坐在房间中央的凳子上，戴上一个前面装有摄像头的 VR 头显。我们鼓励他们环顾房间，并通过摄像头看到房间的真实样子。在某个时候，在没有告诉他们的情况下，我们切换了 feed，以便头显显示的不是实时的真实世界场景，而是预先录制的全景视频。在这种情况下，大多数人继续体验他们所看到的是真实的，即使它现在是虚假的预先录制。（这实际上在实践中非常棘手——它需要仔细的色彩平衡和对齐，以避免人们注意到任何差异，从而让他们意识到这种转变。）

我发现这个结果令人着迷，因为它表明有可能让人体验到一个不真实的环境，使其感觉完全真实。仅此演示就为 VR 研究开辟了新的前沿：我们可以测试人们将体验和相信什么是真实的极限。它还使我们能够研究将事物体验为真实如何影响感知的其他方面。在我们的一个实验中，我们旨在找出当人们相信他们所经历的是真实的时，他们是否更难检测到房间中意外的变化。这项研究因全球疫情而严重延迟，但我们希望当我们恢复工作时，我们将了解它是否可以支持这样一种观点，即感知事物为真实本身充当了一种高层次的先验，可以实质性地塑造我们的感知最佳猜测，从而影响我们感知的内容。

现实的现实

我们的经验世界可能不是真实的想法是哲学和科幻小说，以及深夜酒吧讨论中持久不变的比喻。电影《黑客帝国》中的尼奥吃了红色药丸，墨菲斯向他展示了他认为的真实是如何精心设计的模拟，而真正的尼奥则俯卧在人体农场中，这是一个反乌托邦人工智能的缸中之脑电源。牛津大学哲学家尼克·博斯特罗姆主要基于统计数据论证说，我们很可能生活在后人类时代创建的计算机模拟中。我部分不同意这种论点，因为它假设意识可以被模拟——我不认为这是一个安全的假设——但它仍然是发人深省的。

尽管这些 chunky 形而上学主题很有趣，但它们可能无法解决。相反，我们在本文中一直在探讨的是我们意识感知中外观和现实之间的关系，其中这种外观的一部分是事物本身看起来是真实的外观。

这里的核心思想是，感知是一个积极解释的过程，旨在通过身体与世界进行适应性互动，而不是在头脑中重建世界。我们感知世界的内容是受控幻觉，是对感官信号最终不可知的成因的大脑最佳猜测。对于我们大多数人来说，在大多数时候，这些幻觉都被体验为真实的。正如说唱歌手兼科学传播者巴巴·布林克曼向我建议的那样，当我们对我们的幻觉达成一致时，也许那就是我们所说的现实。

但我们并不总是达成一致，我们也不总是将事物体验为真实的。患有分离性精神疾病（如现实解体或人格解体综合征）的人报告说，他们的感知世界，甚至他们自己，都缺乏真实感。某些类型的幻觉，包括各种迷幻幻觉，将不真实感与感知生动性结合在一起，就像清醒梦一样。患有联觉症的人始终有额外的感官体验，例如在观看黑色字母时感知颜色，他们认识到这些颜色不是真实的。即使是正常的感知，如果你直视太阳，你也会体验到随后的视网膜后像不是真实的。有很多这样的方式让我们体验到我们的感知并非完全真实。

这对我的意义在于，我们大多数感知所具有的真实性属性不应被视为理所当然。这是我们大脑就其感官成因的贝叶斯最佳猜测达成一致的另一种表现。因此，人们可能会问它有什么用途。也许答案是，包含真实属性的感知最佳猜测通常比不包含真实属性的感知最佳猜测更适合目的——也就是说，更能指导行为。当我们体验到咖啡杯、迎面而来的公共汽车或我们伴侣的精神状态是真实存在时，我们会对它们做出更适当的行为。

但这其中存在权衡。正如连衣裙错觉所说明的那样，当我们体验到事物是真实的时，我们不太能够理解我们的感知世界可能与他人的感知世界不同。（对服装的不同感知的一种流行解释认为，大部分清醒时间都在日光下度过的人看到它是白色和金色；主要暴露在人造光下的夜猫子看到它是蓝色和黑色。）即使这些差异一开始很小，但随着我们继续以不同的方式收集信息，选择与我们个人新兴的世界模型最一致的感官数据，然后根据这些有偏差的数据更新我们的感知模型，这些差异也可能会变得根深蒂固并得到加强。我们都从社交媒体的回音室和我们选择阅读的报纸中熟悉了这个过程。我建议，同样的原则也适用于更深层次，即在我们社会政治信仰之下，一直到我们感知现实的结构。它们甚至可能适用于我们对自我的感知——成为“我”或成为“你”的体验——因为成为自我的体验本身就是一种感知。

这就是为什么理解感知的建设性、创造性机制具有意想不到的社会相关性。也许一旦我们能够欣赏散布在这个星球数十亿个感知大脑中的经验现实的多样性，我们将找到新的平台，在这些平台上建立共同的理解和更美好的未来——无论是在内战各方之间、不同政党的追随者之间，还是在两个合住一所房子并面临洗碗问题的人之间。