大脑存在内部“世界模型”，快速眼动睡眠期间就会运行
西风
2024-08-2816:14:53 来源：量子位
睡觉不动弹，也会模拟运动指令及其结果
西风 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
睡觉做梦，大脑实际上会运行一个内部“世界模型”！
有没有童鞋平时做梦经常分不清梦境和现实，有时梦境过于逼真，再带点恐怖，被吓醒也是常有的事。
加州大学旧金山分校两位神经科学家最近做的一项研究，引发关注。
他们指出在动物进入多梦的睡眠阶段，大脑会运行一个内部“世界模型”模拟和外界的交互。
实验结果给出了有力证明，即使睡眠中没有实际运动发生，大脑也会模拟运动指令，展现出和清醒状态类似的脑活动。
这项研究刚po出，就被不少学者点赞转发。
还有网友联想到，将“梦境模拟”方式运用到AI中，解决训练数据不足的问题：
睡觉时大脑活动与清醒时非常相似
做生动的梦大多发生在一种称为快速眼动（REM）睡眠的阶段。
为探究在REM睡眠期间，大脑是如何模拟动作及其结果的，研究人员用小鼠做了实验，重点关注了大脑中的两个关键区域：
上丘（SC）和丘脑前背侧核（ADN）。SC是负责定向运动的运动指令中心，而ADN则包含了所谓的“头部方向细胞”，这些细胞能够反映动物头部的朝向。
首先，研究人员记录了清醒状态下小鼠左侧上丘的神经活动。他们发现，约一半的上丘神经元在头部转动时会显著改变活动，这些神经元被称为“转向细胞（turn cells）”。
大多数转向细胞偏好顺时针转动，当多个顺时针转向细胞同时激活（称为“群体转向事件”）时，动物进行顺时针头部转动的概率显著增加。
接下来，研究人员比较了清醒状态和REM睡眠期间上丘的活动。
令人惊讶的是，REM睡眠中上丘的活动模式与清醒状态非常相似。“群体转向事件”在REM睡眠中也能观察到，甚至频率略高于清醒状态。
也就是说，即使在睡眠中，上丘仍在发出类似于清醒状态下的运动指令。
为了理解这些睡眠中的“运动指令”是否会影响大脑的内部表征，研究人员同时记录了ADN中头部方向细胞的活动。
他们开发了一个解码器，可以根据ADN的神经活动推断头部方向。在清醒状态下，这个解码器能够准确预测实际的头部方向。
结果，当应用于REM睡眠数据时，解码器显示了“虚拟头部转动”——
尽管动物保持静止，但大脑中头部方向的内部表征仍在发生变化。
为了证明上丘活动与虚拟头部转动之间的因果关系，研究人员使用河豚毒素（TTX）药物阻断了小鼠右侧上丘的活动。
结果又显示，这种阻断导致REM睡眠中顺时针方向的虚拟头部转动显著增加，甚至出现连续的360°顺时针虚拟转动。
这些发现表明，在REM睡眠期间，大脑会模拟动作及其结果，即使这些动作并未真正执行。
大脑内部的“世界模型”
研究人员推测，这种模拟可能依赖于大脑内部的模型，而不是外部的感觉反馈。
头部运动的缺失排除了前庭器官的参与，此外小鼠外眼肌缺乏本体感受器官，也排除了REM睡眠特征性眼球运动的本体感受反馈对头部方向表征变化的显著影响。
研究人员还列举了其他研究，用于支持这一观点。
比如之前有研究指出在REM睡眠期间，我们的眼睛会快速移动，这种现象可能反映了大脑在睡眠中进行的一些认知活动。
患有单侧忽视的病人在清醒时可能无法感知或注意到他们视野的一侧。有趣的是，这些患者在REM睡眠期间的快速眼动表现出倾向于向他们通常忽视的那一侧移动。
这表明，即使在睡眠中，这些患者的大脑也在某种程度上模拟或重现了他们在清醒时的认知模式。
此外，还有研究推测REM睡眠本身有助于内部模型的形成和完善。
因此研究人员表示，可以设想在REM睡眠期间观察到的协调SC和ADN活动的内部模型也可能在清醒动物中起作用。
这将允许大脑在执行SC发出的运动指令之前预测头部方向的变化，从而实时估计头部方向，而不是依赖于前庭系统的感觉反馈。
而如果这一模型确实在清醒状态下起作用，那么大脑就需要有一种机制来识别预测的头部方向变化和实际变化之间的差异，并据此调整预测来纠正可能出现的错误。
然而有趣的是，在REM睡眠期间，这种错误信号被抑制。在没有这种信号的情况下，我们的大脑就可以自由地根据内部模型进行模拟，不受实际感官输入的纠正。
这种自由模拟的能力可能是我们在REM睡眠或类似状态下，大脑创造性思维和梦境生成的基础。
这项研究公布后引起了不小的关注。睡觉其实是大脑在做“训练”这个观点，也被不少网友讨论：
睡眠可能是一种训练过程。在这个过程中，我们的大脑需要判断信息是来自真实世界还是它自己通过训练形成的神经网络。当我们无法区分现实和虚构时，训练就完成了。
我们做的那些不切实际的冒险梦可能并不是为了训练我们如何应对不切实际的冒险。可能是为了训练我们大脑中那些我们没有直接意识到的更深层次的机制。比如，梦到自己在飞可能有助于提高我们的视觉空间处理能力。
对此你有什么看法？
参考链接：
[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
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