本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
中午时分，一辆救护车把罗斯送到了急诊室。
分诊护士用他们特有的简洁风格写着“50岁精神分裂症女性，能听到/看到已故的男友”。医疗团队做了标准的检查——体温、血压、心电图、实验室检查以筛查电解质失衡、可能解释罗斯病情的药物或毒素。一切似乎正常，这使得罗斯（其姓名和叙事细节已被更改以保护她的隐私）成为了一名精神科病人。
于是我前往急诊室的B翼，这里是医疗服务和精神科服务之间的某种过渡地带。
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B翼总是熙熙攘攘。一个长长的礼宾式柜台，摆放着三台电脑，正对着房间的中心，这个中心基本上是一个大的矩形。当坐在其中一台电脑前时，你可以看到环绕外墙的九个病房中的每一个。从这个有利位置，B翼变成了一个圆形剧场，病人们躺在轮床大小的壁龛里，展示着一些突发的医疗问题：B7，胸痛；B9，急性呼吸短促。
罗斯的医疗检查已过关，所以她的轮床被降级到了舞台的右侧，柜台的末端。我从舞台的左侧进入，注意到她正穿过房间，双脚放在轮床的头部，用枕头垫着；她的头在脚的那一端，脖子稍微弯曲在边缘。她的双手整齐地放在腹部，浓密的头发形成了一条灰色的河流，一直延伸到油毡上。
罗斯用坚定但随和的语气对着天花板说：“史蒂文为什么要说他没死？怎么会有人如此残忍？”她像一个黏土动画人物一样张大了嘴，慢慢地吐出每一个音节，把残忍分成了残-忍。她在微笑。
我静静地站着，观察着罗斯凝视上方的场景。几秒钟后，我意识到她在等着天花板回答。
“我明白了，”我喃喃自语，回忆起分诊护士的记录，然后去找凳子进行我的访谈。
当我回来时，罗斯正坐直在轮床上，表情完全不同。她的眼睛因存在的痛苦而眯了起来，她的嘴和眉毛都扭曲成一种鬼脸。我伸出了没被接受的握手，问我能帮上什么忙。
“嗯，有人非常残-忍，”她宣布道，警惕地向上瞪着。“我听到史蒂文的声音说他没死。我看到他了。但他三月份就死了。”
然后，她笑着转向我，问道：“怎么会有人如此残-忍地假装他没死？为什么要骗我？为什么，医-生？”她的目光又回到天花板上。在问了一些无人回答的问题后，我自行离开，退到走廊里，前往精神科急诊室查看她的病历。
罗斯拥有经济学博士学位，曾在当地大学任教。大约20年前，她被诊断出患有精神分裂症。她的妄想症对药物反应良好，但她不喜欢服用这些药物，因为它们让她感觉“不舒服”。她会停止服药，她的妄想症会复发，在医院待几天后，药物会使她平静下来，然后她会回到家中重新开始这个循环。然后她遇到了史蒂文。
史蒂文帮助罗斯记得她的药物，稳定了她的生活。没有史蒂文，更重要的是，没有药物，她就像一艘没有龙骨的船。最终，她倾覆了。
让我感到震惊的是，每次入院时，她都会带着顽固的妄想症而来，但在服药几天后就会消失。我内心深处的神经科学家感到非常沮丧：这就像她在遭受认知上的“心脏病发作”后才毫无预警地来到我们这里。
作为一名内科实习生，我测量过病人的血压和胆固醇，并结合病人的年龄和种族等数据，我估计他们患心脏病的风险。对我来说，跟踪病人一段时间的血压和胆固醇，如果达到令人担忧的水平，就开药（并增加药量）是常规操作。因为心脏病发作有医生认真对待的已知风险因素。
没有妄想症的风险计算器。在罗斯的案例中，只有当她仰面躺在轮床上，询问天花板关于她已故男友的鬼魂时，她才会到达急诊室。然而，心脏病发作发生在多年的动脉粥样硬化和高血压之后；精神病发作也必须有可测量的警告信号。但要测量什么呢？
卡尔·弗里斯顿和自由能原理
精神分裂症是一种严重的致残疾病，它扭曲了一个人的现实结构，常常将其撕裂。我想象，在采访他们的第一个“罗斯”时，每位临床医生都会停下来思考现实与意识之间的联系，感觉与感知之间的联系。在20世纪80年代，一位这样的年轻临床医生是卡尔·弗里斯顿。
弗里斯顿——他现在被认为是最具影响力的神经科学家之一，因为他几十年来做出的连续的里程碑式贡献——曾在剑桥大学冈维尔和凯斯学院以及伦敦国王学院医院学习医学。他在牛津大学完成了精神病学住院医师实习。弗里斯顿将他大部分的临床时间用于治疗精神分裂症患者，并对他们的大脑中发生的事情感到困惑。
正电子发射断层扫描（PET）最近被应用于大脑，允许研究人员根据活跃区域从血液中吸收多少放射性示踪剂来间接测量大脑功能。因此，在20世纪90年代初，弗里斯顿转向PET来研究精神分裂症患者的大脑。当时，每个研究小组都有自己的内部软件来用PET测量大脑活动。
有些人会在每个受试者中视觉上勾勒出一个区域（即，那部分看起来像运动皮层），并观察该区域内的活动如何随着不同条件而变化（例如，按下按钮与休息）。改进如何排列人们不同形状的大脑的解剖结构（博士导师彼得·福克斯的这项工作仍然非常出色）允许研究人员减去整个PET图像，并查看整个大脑的活动在不同条件下平均变化的位置和程度。
但弗里斯顿认为，由于每个受试者的PET图像中的每个值（一个三维的数字串）都对应于相似的解剖结构，他不妨用严格的统计检验来比较每个对应的值。因此，弗里斯顿潜心研究，创建了统计参数映射，这是一个允许神经科学家用统计检验比较PET扫描的软件程序。
然后，弗里斯顿做了其他小组没有做的事情：他免费地与神经科学界分享了它。这个软件几乎立即被该领域采用，全球约90%的神经科学家仍然使用它来分析他们的神经影像数据。许多研究表明，精神分裂症患者的前额叶皮层、前扣带皮层和丘脑（负责管理决策的区域）的大脑活动异常。
几年后，当磁共振成像（MRI）成为一种有用的方法时，弗里斯顿开发了（免费的）工具来更详细地研究大脑的结构和功能，这是PET无法提供的——他（和该领域）随后将其应用于理解精神分裂症。这些研究表明，精神分裂症涉及一个随着时间推移而逐渐受损的大脑区域网络。至关重要的是，这种损害似乎是较大网络内各个区域之间的有害断开，是19世纪关于精神瓦解概念的体现。
然后，弗里斯顿将目光转向大脑功能的统一理论，以更好地了解精神分裂症大脑中发生的事情。他希望这个理论能够提供一种方法，不仅可以测量大脑的结构和功能，还可以测量该结构和功能如何与大脑的整体决策过程、我们如何感知和行为联系在一起。这个理论的核心部分是自由能原理。
自由能原理有点像大脑的使命宣言：最大限度地减少惊讶。我们的眼睛、耳朵等收集的感官数据是对环境的不完整采样。例如，眼睛只能检测到非常狭窄的可见光谱（400-700纳米），但仅视网膜每秒就向大脑发送大约1010比特（1.25千兆字节）的巨量信息。在更大的宇宙中，大脑是一个弱者，一个注定要筛选不完整的原始像素和声音片段的混乱（并且实时）地在不确定且潜在的敌对地形中导航的器官。为了有效地做到这一点，大脑会创建模型。
大脑如何模拟世界
想象一片森林。你可能不是在想一个特定的森林，而是你对森林的心理模型。在你的“森林”模型中，你期望感知到树木（你也有一个关于树木的心理模型）。现在假设你正在这片森林中跋涉，你的大脑正在期待感官数据，这些数据表明视觉流中有树干——静止的、垂直的、特定颜色的物体。
因为你正在这片森林中跋涉，如果你感觉到视觉中有垂直排列的一系列棕色像素，你的大脑会产生“树干”的感知，并改变路线以避免不愉快的碰撞。（值得注意的是，如果你坐在客厅里，你会有一个不同的“客厅”模型，而类似的棕色像素系列可能会产生“落地钟”的感知，这在森林中会非常令人惊讶。）
经验教会你，你的“森林”模型如此可靠地稳定，并且你在森林场景中跋涉时如此有可能感知到“树干”，你甚至可能不会注意到树木，而是在潜意识中感知它们，而不会去想“那是树干……那边是树干……等等”。这种“森林中的树干”模型让你腾出大脑与你的徒步伙伴交谈或思考你的一天。
但是，如果你经过一根“树干”后，感觉到一阵沙沙声，然后是咆哮声，该怎么办？然后，那些静止的棕色像素开始稍微向你倾斜。惊讶的你仔细一看，注意到一个巨大的阴影正在向你移动。糟糕。
惊讶是不好的。惊讶意味着你的“森林中的树干”模型未能代表和预测现实。这意味着你正在失控地走向混乱甚至死亡的状态。为了最大限度地减少惊讶，大脑必须改变一些东西。它可以更新感知（例如，“哦，那是一只熊！”）或通过行动改变感官数据（例如，“离开那个看起来像熊的东西！”）——在这种情况下，它可能会同时做这两件事。
自由能原理将大脑描述为一台机器，其目标是预测环境中发生的事情。因为它是预测（而这些预测可能是错误的），所以它容易出现统计错误，如假阳性和假阴性。在没有树干的地方感知到树干是假阳性。没有感知到熊是假阴性。这些令人惊讶的、异常的推断具有不同的成本级别：“熊”假阴性的成本相当高，而“树干”假阳性的成本则较低。为了生存，大脑需要最大限度地减少惊讶，或减少感知到的与实际存在的（潜在饥饿的）世界之间的差异。
罗斯的自由能
我仍然对罗丝感到困惑，于是我发邮件给弗里斯顿，他很友善地接受了我的跨大西洋谷歌电话咨询。弗里斯顿操着一口流利的英国口音，听起来和我设想的一模一样：开明、才华横溢。他说话时会用停顿来分隔句子，这些句子又流畅地组成结构良好的段落。
弗里斯顿一直对精神分裂症很感兴趣：“在我所做的所有影像学和理论神经科学研究中，始终存在一种迫切的愿望，那就是让研究能够应用于精神病学，特别是精神分裂症研究。” 弗里斯顿解释说，“然而，尽管他做了大量的工作，他说我们直到现在才开始开发出测量和理解这种疾病的工具。”
我描述了罗丝的案例，她的病史以及我们在急诊室的交流，她如何看到并与她知道已经去世的男友交谈，以及她那只有极端情绪的瞬息万变的情感。
“那么她的大脑里发生了什么？”我问道。
我们讨论了他的自由能原理，以及我们如何形成世界模型来预测我们在环境中应该如何行动。在健康的大脑中，感觉被输入到一个模型中，这个模型基于学习到的、情境性的预期，产生对环境的感知；棕色的垂直像素被感知到，并在“森林中的树干”模型的背景下，被感知为树干。如果有人在森林里跋涉时遇到熊或老式落地钟，他们会感到惊讶，并反过来更新他们的“森林”模型，以包括熊和老式落地钟。
弗里斯顿认为，在精神分裂症中，大脑难以平衡感知到的事物与对预期事物的先验信念。由于这种不平衡，大脑会产生不准确且不适当地稳定的环境模型，因为大脑不太可能根据实际看到、听到和感觉到的内容来更新其模型。在精神分裂症中，大脑如此强烈地确信应该感知到树木或熊，以至于它将它们强行变成现实。这是精神科医生称之为幻觉的典型的误报。
自由能与精神分裂症
最近发表在《科学》杂志上的一项研究，将实验方法应用于弗里斯顿的自由能原理。该项目由耶鲁大学的两位神经科学家菲尔·科利特和艾尔·鲍尔斯（他也是一名精神科医生）与意大利高级研究国际学校的认知神经科学家克里斯·马蒂斯合作领导。他们实验的目的是训练某人产生幻觉，然后测量他们产生幻觉时发生了什么。
在他们的实验中，参与者被反复展示一个与音调配对的棋盘格。当他们听到音调时，参与者被要求按下按钮；所以，棋盘格，音调，按钮；棋盘格，音调，按钮。在用这种“棋盘格然后音调”模型训练人们之后，研究人员停止在棋盘格后播放音调。他们想看看不同的人会如何反应：棋盘格，音调，按钮；棋盘格，[沉默]，按钮？
正如预期的那样，健康的参与者犯了一些错误；即使是健康的大脑也是不完美的。但是鲍尔斯和科利特发现，患有可诊断精神疾病的人不适当地坚持训练的模型，并且即使在多个棋盘格之后出现多次沉默，他们也不太可能更新自己的信念。
然后，他们使用弗里斯顿的统计参数映射来查看参与者的大脑活动，通过功能性磁共振成像测量。他们发现，在棋盘格后出现意外的沉默时，没有精神病的人的小脑活动激增，小脑被认为会处理错误信号或预期与感知之间的不匹配。似乎小脑正在努力弄清楚为什么“棋盘格然后音调”模型失败了，以及为什么他们没有听到音调。
但是在患有精神病的人中，随着参与者感觉模型越稳定，小脑中的活动减少了。就好像患有精神病的人如此固执地相信“棋盘格然后音调”模型，以至于他们失控的模型关闭了大脑准确评估环境的能力，从而导致持续的误报。
科利特和鲍尔斯还发现，产生幻听的人（作为精神病的一部分或作为自我描述的“千里眼通灵者”）“听到”不存在的音调的可能性是其他人的五倍。他们也更确定自己听到了不存在的音调。事实上，随着参与者确定性的增加，负责听觉感知的大脑区域的活动也随之增加。在没有感觉的情况下产生感知；失控的模型已经失控。
弗里斯顿将这项研究应用于罗丝，他解释说，在史蒂文去世之前，罗丝已经形成了一个稳定的模型，使她能够驾驭她的环境。他继续说道：“从这个角度来看，人们会认为，通过药物治疗和一种相当可预测、稳定的生活方式，[罗丝] 处于前驱期，”这意味着她患有精神分裂症，但她没有出现症状。尽管罗丝的疾病使她容易产生没有根据的感知（即，听到不存在的音调），但药物治疗使她的大脑能够将她的模型与实际感知到的内容进行比较和更新，因此她无法维持妄想。有了史蒂文和她的药物，“她的生活是稳定的，它是可预测的，也就是说，她的生成模型可以预测它。”
弗里斯顿认为，罗丝的认知临界点是史蒂文的去世。他停顿了一下，表示同情地说：“改变或压力大的生活事件对大脑在建模世界方面提出了巨大要求。悲伤反应是对大脑几乎每个等级的深刻重塑；是对超越每种模式的生成模型的重塑——你期望在面孔方面看到谁，你触摸谁，你吃的食物。”没有史蒂文，罗丝的整个生成模型——她的日常活动，她对每天每一刻的期望——都被颠覆了，迫使她的大脑修改她认为自己的一天会如何展开的信念。没有了她的日常活动，她停止服用药物。没有了她的药物，她的大脑就失去了与现实的联系，因为她的疾病导致她倾向于相信她的环境应该是什么样子，而忽略了实际存在的事物。因此，毫不奇怪，她开始听到史蒂文的声音——因为她期望听到。如果罗丝期望听到史蒂芬的声音，那么（从她的角度来看）听到史蒂芬的声音对她的大脑来说是最不令人惊讶和最优的解决方案。
罗丝的瓦解作为一种悲伤反应
我安排在当地一家酒吧与科利特和鲍尔斯交谈，了解他们的研究结果如何应用于罗丝，并讨论弗里斯顿对悲伤的想法。我们有一天晚上在街上见面，所以，三位神经科学家走进了一家酒吧……。
在一个空旷的后厅里的一张小型圆形桌子旁，我们讨论了罗丝的故事。以任何合理的标准来看，人们可能会认为，经过五年的密切合作，科利特和鲍尔斯已经协调了他们的人格：两人都用长方形的塑料眼镜框住了他们粗短的脸。他们俩都依赖左手和眉毛来强调他们说话时的单词和想法。两人都非常雄辩。当我们讨论悲伤时，灯光昏暗，背景音乐播放着爵士乐。
鲍尔斯告诉我：“看到已故的亲人可能是普通人群中最常见的幻觉，在所有文化中都是如此。这发生在悲伤中——以及对各种压力的反应中。患者在社会压力（例如失去住房、不得不辍学等）的情况下，症状也会急剧恶化。”
来自英国的科利特插话说，补充了这个想法：“人们可能会说：随着不确定性的增加，人们开始更多地依赖他们的先验。我们从心理学中了解到这一点：你带那些第一次要跳飞机的人，给他们看雪景图像，并问他们看到了什么。那里什么也没有，但是人们会说，‘啊，我能看到一只鹿。’ 随着人们跳的次数越来越多，他们对鹿[或其他东西]的感知会降低。你对知觉的先验会随着你承受的压力以及对未来的不确定性而变化。”
因此，罗丝实际上已经在认知上倾覆了。史蒂文的去世使得她对世界的模型不再适用于目的——而且，在孤独的悲伤和压力（以及缺乏药物治疗）中，她的大脑未能学习到“史蒂文之后”的世界模型。罗丝的大脑建立了一个模型，其中史蒂文在她生活中扮演着中心角色，并且由于她疾病的僵化，她无法放弃或重新学习那个关键部分。
当我看到罗丝在急诊室时，她正在看到、听到并对一个不存在的史蒂文做出情感反应。当时，我想测量她的妄想，但这就像在某人已经心脏病发作后检查他们的胆固醇水平一样。当罗丝到达急诊室时，她已经患有精神病，正处于认知“心脏病发作”的阵痛中。
有用的方法是进行多次测量——类似于随着时间的推移测量胆固醇水平和血压——测量她的大脑如何与现实互动，测量当事件与她的期望相矛盾时她是否更新她的心理模型，以及当她的期望接近她产生知觉的临界点时，就在幻觉出现之前。这些数据本可以避免危机，使我们能够增加她的药物剂量，足以抑制这些期望，使她能够准确地感知——并重新连接——她的感觉。最后，两周的药物治疗软化了她的思想，使其能够从周围环境中学习。她再次足够好，可以回家了。
当我现在想起她时，我想知道罗丝是否逐渐不再确定史蒂文的存在，或者是否像帷幕落下一样，史蒂文突然从她的脑海中消失了。
我不确定哪一个更糟糕。