大腦存在內(nèi)部“世界模型”，快速眼動(dòng)睡眠期間就會(huì)運(yùn)行

西風(fēng) 2024-08-28 16:14:53 來(lái)源：量子位

西風(fēng) 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

睡覺(jué)做夢(mèng)，大腦實(shí)際上會(huì)運(yùn)行一個(gè)內(nèi)部“世界模型”！

有沒(méi)有童鞋平時(shí)做夢(mèng)經(jīng)常分不清夢(mèng)境和現(xiàn)實(shí)，有時(shí)夢(mèng)境過(guò)于逼真，再帶點(diǎn)恐怖，被嚇醒也是常有的事。

加州大學(xué)舊金山分校兩位神經(jīng)科學(xué)家最近做的一項(xiàng)研究，引發(fā)關(guān)注。

他們指出在動(dòng)物進(jìn)入多夢(mèng)的睡眠階段，大腦會(huì)運(yùn)行一個(gè)內(nèi)部“世界模型”模擬和外界的交互。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了有力證明，即使睡眠中沒(méi)有實(shí)際運(yùn)動(dòng)發(fā)生，大腦也會(huì)模擬運(yùn)動(dòng)指令，展現(xiàn)出和清醒狀態(tài)類(lèi)似的腦活動(dòng)。

這項(xiàng)研究剛po出，就被不少學(xué)者點(diǎn)贊轉(zhuǎn)發(fā)。

還有網(wǎng)友聯(lián)想到，將“夢(mèng)境模擬”方式運(yùn)用到AI中，解決訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題：

睡覺(jué)時(shí)大腦活動(dòng)與清醒時(shí)非常相似

做生動(dòng)的夢(mèng)大多發(fā)生在一種稱為快速眼動(dòng)（REM）睡眠的階段。

為探究在REM睡眠期間，大腦是如何模擬動(dòng)作及其結(jié)果的，研究人員用小鼠做了實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注了大腦中的兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：

上丘（SC）和丘腦前背側(cè)核（ADN）。SC是負(fù)責(zé)定向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)指令中心，而ADN則包含了所謂的“頭部方向細(xì)胞”，這些細(xì)胞能夠反映動(dòng)物頭部的朝向。

首先，研究人員記錄了清醒狀態(tài)下小鼠左側(cè)上丘的神經(jīng)活動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，約一半的上丘神經(jīng)元在頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)顯著改變活動(dòng)，這些神經(jīng)元被稱為“轉(zhuǎn)向細(xì)胞（turn cells）”。

大多數(shù)轉(zhuǎn)向細(xì)胞偏好順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)多個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)向細(xì)胞同時(shí)激活（稱為“群體轉(zhuǎn)向事件”）時(shí)，動(dòng)物進(jìn)行順時(shí)針頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的概率顯著增加。

接下來(lái)，研究人員比較了清醒狀態(tài)和REM睡眠期間上丘的活動(dòng)。

令人驚訝的是，REM睡眠中上丘的活動(dòng)模式與清醒狀態(tài)非常相似?！叭后w轉(zhuǎn)向事件”在REM睡眠中也能觀察到，甚至頻率略高于清醒狀態(tài)。

也就是說(shuō)，即使在睡眠中，上丘仍在發(fā)出類(lèi)似于清醒狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)指令。

為了理解這些睡眠中的“運(yùn)動(dòng)指令”是否會(huì)影響大腦的內(nèi)部表征，研究人員同時(shí)記錄了ADN中頭部方向細(xì)胞的活動(dòng)。

他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)解碼器，可以根據(jù)ADN的神經(jīng)活動(dòng)推斷頭部方向。在清醒狀態(tài)下，這個(gè)解碼器能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際的頭部方向。

結(jié)果，當(dāng)應(yīng)用于REM睡眠數(shù)據(jù)時(shí)，解碼器顯示了“虛擬頭部轉(zhuǎn)動(dòng)”——

盡管動(dòng)物保持靜止，但大腦中頭部方向的內(nèi)部表征仍在發(fā)生變化。

為了證明上丘活動(dòng)與虛擬頭部轉(zhuǎn)動(dòng)之間的因果關(guān)系，研究人員使用河豚毒素（TTX）藥物阻斷了小鼠右側(cè)上丘的活動(dòng)。

結(jié)果又顯示，這種阻斷導(dǎo)致REM睡眠中順時(shí)針?lè)较虻奶摂M頭部轉(zhuǎn)動(dòng)顯著增加，甚至出現(xiàn)連續(xù)的360°順時(shí)針虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)。

這些發(fā)現(xiàn)表明，在REM睡眠期間，大腦會(huì)模擬動(dòng)作及其結(jié)果，即使這些動(dòng)作并未真正執(zhí)行。

大腦內(nèi)部的“世界模型”

研究人員推測(cè)，這種模擬可能依賴于大腦內(nèi)部的模型，而不是外部的感覺(jué)反饋。

頭部運(yùn)動(dòng)的缺失排除了前庭器官的參與，此外小鼠外眼肌缺乏本體感受器官，也排除了REM睡眠特征性眼球運(yùn)動(dòng)的本體感受反饋對(duì)頭部方向表征變化的顯著影響。

研究人員還列舉了其他研究，用于支持這一觀點(diǎn)。

比如之前有研究指出在REM睡眠期間，我們的眼睛會(huì)快速移動(dòng)，這種現(xiàn)象可能反映了大腦在睡眠中進(jìn)行的一些認(rèn)知活動(dòng)。

患有單側(cè)忽視的病人在清醒時(shí)可能無(wú)法感知或注意到他們視野的一側(cè)。有趣的是，這些患者在REM睡眠期間的快速眼動(dòng)表現(xiàn)出傾向于向他們通常忽視的那一側(cè)移動(dòng)。

這表明，即使在睡眠中，這些患者的大腦也在某種程度上模擬或重現(xiàn)了他們?cè)谇逍褧r(shí)的認(rèn)知模式。

此外，還有研究推測(cè)REM睡眠本身有助于內(nèi)部模型的形成和完善。

因此研究人員表示，可以設(shè)想在REM睡眠期間觀察到的協(xié)調(diào)SC和ADN活動(dòng)的內(nèi)部模型也可能在清醒動(dòng)物中起作用。

這將允許大腦在執(zhí)行SC發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令之前預(yù)測(cè)頭部方向的變化，從而實(shí)時(shí)估計(jì)頭部方向，而不是依賴于前庭系統(tǒng)的感覺(jué)反饋。

而如果這一模型確實(shí)在清醒狀態(tài)下起作用，那么大腦就需要有一種機(jī)制來(lái)識(shí)別預(yù)測(cè)的頭部方向變化和實(shí)際變化之間的差異，并據(jù)此調(diào)整預(yù)測(cè)來(lái)糾正可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

然而有趣的是，在REM睡眠期間，這種錯(cuò)誤信號(hào)被抑制。在沒(méi)有這種信號(hào)的情況下，我們的大腦就可以自由地根據(jù)內(nèi)部模型進(jìn)行模擬，不受實(shí)際感官輸入的糾正。

這種自由模擬的能力可能是我們?cè)赗EM睡眠或類(lèi)似狀態(tài)下，大腦創(chuàng)造性思維和夢(mèng)境生成的基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究公布后引起了不小的關(guān)注。睡覺(jué)其實(shí)是大腦在做“訓(xùn)練”這個(gè)觀點(diǎn)，也被不少網(wǎng)友討論：

睡眠可能是一種訓(xùn)練過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，我們的大腦需要判斷信息是來(lái)自真實(shí)世界還是它自己通過(guò)訓(xùn)練形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)我們無(wú)法區(qū)分現(xiàn)實(shí)和虛構(gòu)時(shí)，訓(xùn)練就完成了。

我們做的那些不切實(shí)際的冒險(xiǎn)夢(mèng)可能并不是為了訓(xùn)練我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)不切實(shí)際的冒險(xiǎn)?？赡苁菫榱擞?xùn)練我們大腦中那些我們沒(méi)有直接意識(shí)到的更深層次的機(jī)制。比如，夢(mèng)到自己在飛可能有助于提高我們的視覺(jué)空間處理能力。

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參考鏈接：
[1]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.08.13.607810v1
[2]https://news.ycombinator.com/item?id=41284873
[3]https://x.com/yutasenzai/status/1824652175286603979