自由能原理：统一生命与大脑的功能理论

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关键词：贝叶斯力学，自由能原理，非平衡涨落定理，神经吸引子，感知和运动推理，薛定谔机

论文题目：
Free energy and inference in living systems
论文地址：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2022.0041

生物系统通过自发对称性破缺自组织成非平衡的稳定状态。这个状态违反了细致平衡（detailed balance），但同时维持了生理和身体属性。在生物学上，热力学第二定律意味着在生物体的代谢过程中维持其在环境中的稳态是不可避免的未补偿能量。更准确地说，代谢工作的量由热力学自由能消耗上限约束。这种自组织的过程可以被视为对称性破缺，因为它打破了系统的对称性并形成了一个新的稳定状态。

自由能原理及贝叶斯力学对于理解复杂生命系统，尤其是其自组织过程具有启示意义。在这项研究中，作者首先介绍了自由能原理的基本概念和理论框架。自由能原理已经成为一个统一的生命与大脑的功能理论，认为所有的生物、人工和神经系统都在努力最小化其自由能。目前，自由能原理被广泛应用于神经科学和认知科学中，用于解释大脑如何处理信息、做出决策以及进行学习。

非平衡涨落定理（Fluctuation Theorems, FTs）在生物体中的应用主要涉及描述生物体中的随机非平衡过程。非平衡涨落定理最初是为研究小规模系统而建立的，其中的涨落显著，也适用于宏观的确定性动力学。在生物学的背景下，这些定理提供了生物体如何维持恒定体温（在人类中平均为36.5°C）并通过新陈代谢以等温方式对抗环境的描述。

以往的研究使用了涨落定理的一种表达形式Jarzynski关系（一种非平衡关系）来描述生命系统活动。在该视角下，生物体被视为等温系统，这些系统可以与环境进行热和粒子交换。非平衡关系体现了热力学第二定律，这是生物体中的热力学约束，揭示了在新陈代谢周期中产生的不可避免的（热力学）自由能浪费。然而，这种表述没有考虑到自适应性，也没有考虑到感知、学习等大脑功能。

为了解决生命的这些基本特性，研究者又提出了一种混合方案，首先提出系统层面的生物功能如何运作，然后试图将其与生物物质联系起来。特别是，自由能原理所引申的贝叶斯力学，为这种对生命的有希望的混合解释提供了关键的组成部分。

论文进一步探讨了自由能最小化与大脑推理的关系。在自由能原理框架下，大脑被视为一个统计机器，通过最小化自由能进行贝叶斯推理。如果一个系统（如大脑）要在一段时间内保持其结构，那么它必须编码或实例化其环境的统计模型。这意味着大脑必须通过感知和运动推理来获取和更新关于环境的信息，以便在不断变化的环境中保持其结构和功能。这个模型被称为薛定谔机器（Schrödinger's Machine）。这种推理过程包括了感知（perception）和行动（action）两个方面，即大脑通过感知环境来更新其对世界的预测，通过行动来改变环境以减少预测误差。

在该模型中，感知和运动推理被看作是两个相互作用的过程，它们共同构成了大脑的潜在动力学。感知过程是通过贝叶斯反演来进行的，它根据当前的感觉输入和先前的信念状态来推断出环境的状态。运动推理过程则是通过最优控制理论来进行的，它根据当前的信念状态和预期的未来目标来生成运动输出。

薛定谔机器的概念源于量子物理学中的著名思想实验“薛定谔的猫”。在该实验中，一只猫被放在一个封闭的盒子里，盒子内有一个可能会释放出致命毒气的装置，这个装置是否会释放毒气取决于一个原子的衰变，这是一个随机事件。在观察者打开盒子之前，猫的状态（活着或死了）是不确定的，它处于这两种状态的叠加。这个实验是为了说明量子系统可以处于多个状态的叠加，直到进行观测时才会塌缩到一个特定的状态。大脑被视为一个复杂的机器，它的状态（即我们的思想和感觉）在被观察（即我们意识到它们）之前也是不确定的。

而薛定谔机器所描述的大脑，是通过处理来自环境的信息，并根据这些信息做出预测，来确定其状态。这个过程可以被看作是一个不断进行的观测过程，通过这个过程，大脑的状态从可能的多个状态中塌缩到一个特定的状态。这个比喻强调了大脑的动态性和不确定性，以及我们的思想和感觉是如何从大脑处理信息的过程中产生的。这也说明了为什么我们的感觉和思想会随着环境的变化和获取的新信息而改变。

图1：自发吸引子。

在这篇论文中，作者用自发吸引子（Spontaneous Attractor）代表神经元群体在感知和运动推理中的内在动力学，展开了具体研究。自发吸引子是指在神经空间中由神经网络产生的吸引子流形，这是一组固定点的连续集合，占据神经空间的有限区域，如图1。因此，吸引子动力学和在不同吸引子之间的切换被展现出来，这表明了神经表示中的上下文变化。

在论文的模型中，自发吸引子在没有感觉输入的情况下形成，这是由于模型中的神经元群体的内在动力学。然后，当有感觉输入时，吸引子的中心会发生移动，这是由于感觉输入对神经元群体的驱动。这种动态的吸引子的形成和变化，是大脑进行感知和运动推理的一个重要机制。

在论文的数值模拟中，作者展示了在感知输入流的过程中，吸引子动力学的发展。在感知输入流开始时，神经元群体的状态开始从第一个吸引子逃逸，并开始构建第二个吸引子。最终，随着时间的推移，两个吸引子之间的动态转换在一段弛豫时间内完成。在这个过程中，吸引子的中心发生了移动，这是由于感知输入的影响。

编译｜刘培源

原标题：《自由能原理：统一生命与大脑的功能理论》

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