做梦对人类有什么意义?神经科专家探讨梦的奥秘

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所属分类:体坛快讯

神经科学研究人员近期发现人们睡眠中做梦远比以往认为的只是强化学习功能要复杂得多。了解梦的机制还可能帮助我们解释为什么人们都喜欢阅读科幻小说。试想一个外星人到访地球,当他看到地球上这么多人在一天的时间中花很多时间在一些不真实的事情上,他一定理解不了而且会觉得很奇怪。

人类往往对众多从来没有发生过的事情赋予过多的关注,比如看一部连续剧、玩视频游戏、阅读一本科幻小说等,如果硬要他去解释,他一定会觉得地球上的人太愚蠢了,连真假都不能分辨。如果这些外星人知道人在睡眠中还会做梦,他一定更不能理解。每一个梦都是一个虚构的场景。做梦要消耗时间和能量,所以从生物进化角度上看它一定有意义。

那么,梦中的那些从来没有发生过的故事意义到底在哪儿呢?如果外星人像我们地球上的科学家一样对每一个解释不了的现象都要先提出一个假说,他可能会说如果我们能够鉴定出一些人类需要做梦的生物学依据,那我们就可以进一步把它应用到人工智能(人工梦)上面来。从一个神经生物学科学家的角度上来看,如果我们能够找到一些睡眠做梦能够改善人类清醒状态下某些特定功能的生物学证据,那它对于未来设计人工智能一定会有巨大帮助。如果这个假说成立,它可能还会帮助解释为什么人类对不真实的科幻小说情有独钟。

研究、解析梦是一门独特的学科,在20世纪初就颇为盛行。谈起这个领域就不能不提现现代心理学的鼻祖西格蒙德·弗洛伊德。他的理论是梦和一个人的性和心理发育密切相关,他认为梦的缘由是早年的创伤经历引起人们对自然欲望的压抑,这种欲望会在梦中自然流露出来。虽然后期的研究部分否决了这种说法,但是这种关联的可能性从此就深植在人们的脑海中。

在过去几十年,神经影像和行为学研究为梦的生物学机制研究又注入了新的活力。现在认为梦是由大脑的众多神经通路中一部分神经元放电所致,梦的生成并不依赖任何外部的刺激和信息输入。梦使人处于一种特殊的神经生理状态,做梦时大脑神经元的活动度和人们清醒状态时类似,但梦中并无行为动作,这应该是被一种强有力的化学体系所抑制而产生的麻痹现象。现代科技虽然使人们了解了部分梦的神经生理机制,但做梦到底有什么功能?我们所知甚少。有人认为没有必要去了解睡眠中做梦到底是为了什么,梦很有可能就是睡眠的一种副产品,比如是清除神经元活动代谢废物的产物。这个说法并不能为大多数学者所接受。不管怎么说我们每一个人晚上在数小时的睡眠中的特定时段都在做梦,说它没有意义的却难以服人。那么做梦能不能产生或增强记忆?梦中的场景有几个鲜明的特点,它是独特的又是具体的,梦中的场景和我们清醒状态下的体验完全不同。这些难以用仅仅增强记忆来解释。有时梦的内容又是稀疏的,它并不包含我们在清醒状态下那些鲜活的感受和感知。在这个意义上也可以把梦理解为一种幻觉。因为梦中常常有一些不真实的,或者说扭曲的场景。但它又是我们现实生活中一些事件的虚幻版本。

关于梦最流行的一个假说就是记忆存储学说,它把大脑比喻成一台复杂的计算机,它不仅可以产生特定的记忆并可以储存这个记忆,就像我们在计算机硬盘里存储数据一样。但是在现实生活中,睡眠和记忆的关系远非如此单纯。一个疲倦的人睡一晚上好觉后,第2天身体的多种技能都可以大大提升。但睡好觉后,记忆一系列数字这个特定功能是否有大幅度明显改善并不明了。关于睡眠和记忆存储的假说主要是源于在一些动物实验中发现在哺乳类动物清醒状态下,一些神经通路的活动在睡眠期间有重放现象。那么梦会不会就是记忆在大脑中的重播?神经生理学研究显示有学习功能的神经元在睡眠当中有增加放电频率的趋势;但也有一些实验结果并不支持这个假说,比如这种神经网络中的重播现象多发生在非快速动眼期睡眠(Non-REM),而并不是发生于快速动眼期睡眠(REM)。而事实是做梦通常是发生在睡眠的快速动眼期。还有一个疑惑就是梦的内容好像并非是记忆的重放,因为梦中的景象往往是在现实生活中从来没有见到过的场景。行为学研究也证明梦并非是记忆在大脑中的简单重放,或者说是记忆集成的产物,因为梦中的场景和现实生活中的场景往往有巨大差距。如果梦中的景象非常接近真实场景,医生往往认为这是病理性的而非生理性的现象,比如它可能是创伤后应激反应综合征(PTSD)的一部分。

关于梦有一点是勿容置疑的就是它和记忆、学习有关联。我们经常可以听到类似的故事,比如有的学生有一天被要求学习杂耍-双手抛三球,并要求他第二天在全班面前表演。他整天刻苦练习直到半夜仍掌握不了其技巧,扔不了四、五个球就会掉到地上。最后实在太困了只能先去睡觉,睡前他觉得第二天一定会在全班面前出丑。早晨醒来后再试一下,他可以连续抛球一分多钟而不失误,连他自己都感觉难以置信。类似的经历说明在睡眠期间一定发生、强化了学习经历,而且这些是基于他清醒状态下的经历又有了进一步的提升。这个案例也说明睡眠中的梦并非是简单的重播记忆,因为他睡觉前的学习经历是个失败的经验,如果仅是反复重播失败的经历又于事何补呢?如果再以玩视频游戏为例,俄罗斯方块(Tetris)是由阿列克谢-帕基特诺夫于1984年开发的一款游戏,由多个方块组成的不同形状的物体从屏幕上方缓慢下落,你要在短时间内识别,判断它和下方哪个地方的形状相吻合,并把它快速挪到那个方向,形状契合率越高得分越高。因为这款游戏简单、又极具深度,一时风靡全球,各地还成立了不少俄罗斯方块发烧友会。这些发烧友经常会梦到类似俄罗斯方块状的物体在梦中下落,但这些物体又和玩游戏时的真实场景不同。这个案例可以说明如果你想在梦中梦到一种特殊的场景,那你就去学一个困难的、新的技巧,反复练习、实践。玩俄罗斯方块的年轻人往往连续坐在计算机前数小时,甚至通宵达旦。

仿生学的一些想法和技巧就是从研究生物的大脑所获得。人工智能深度学习所设计的人工神经网络也是如此。要使计算机能够具有部分人类的认知和行为功能,仿生恐怕是必经之路。从深度学习角度来看,学习过程远不是仅在计算机上存储记忆那么简单。深度学习一定是要在复杂的、多层次的信息网络中不断地做微调,才能在已知数据并不完整的情况下对未知情况做出一个判断。那么当面对一个全新的场景时,人工智能只能根据已有的数据和模型来判断它与全新场景的相似性。这就不可避免的形成人工智能依赖已知数据、模型的偏见。这就是所谓的“过度拟合”理论,一个人工智能深度学习中普遍存在的问题。要解决这个问题就要让人工神经网络多接触一些完全随机的场景和案例,这就好比是在人工神经网络上出示多种幻觉。比如用人工智能指挥机器人在各种不同的情况下转魔方。动物要生存就必须适应环境,对于已经经历过的一些场景,动物会有特定的反应。但对于没有经历过的情况,就只能基于已有的经历在认知、理解、行为反应方面去做一个普适化的判断。既往的经历越多,判断就越趋准确;但经历越多,判断依赖已有模型和数据的偏见也越大。这就是所谓的“过度拟合”理论的核心所在。

如果用“过度拟合”理论来诠释梦就可以把梦想像成一个对抗“过度拟合”的机制。因为梦中的场景均系随机场景。为什么不能在动物清醒的状态下尝试这些随机的场景?因为在清醒状态下,动物生存都有一定之规,如果偏离常规,动物经常会受到严重伤害。但当它们休息和睡眠时,可以展现多种和清醒状态下相关又不同的场景或称之为幻觉场景。那么梦的各种特性,在“过度拟合”理论中,其功能可能正是如此。梦境可以为人类提供多种以前从未见到过的场景,从而协助人们做出普世化的判断。这也可能就是为什么学杂耍的人,虽经反复训练但睡觉前还不掌握,睡眠后功能大幅提升成为可能。这个假说把梦定义为赋予某种特定功能的必要机制,而决非仅仅是一个睡眠的次要产物。确实做梦这种不寻常的现象很有可能就是修正“过度拟合“的好方法。在一项作业中,如果你有相关但又和此项作业完全不同的经验,都会对完成这项工作有帮助。在梦境中飞翔就有可能提升你在跑步时的平衡功能。科学家设计能深度学习的”人工梦“时应该能从这类梦境如何修正“过度拟合”中学到不少东西。下一步如何证实梦境确实是“过度拟合“的一个机制还有很多工作要做,比如在梦中神经通路上的神经元突触都会发生哪些变化就值得进一步的研究探讨。

如果梦真是为某种特定功能服务,那么研究和设计白日梦(“人工梦”)看起来就并非并那么虚幻了。人们为什么对艺术和虚幻小说那么痴迷?可能它们都是时时在不断修正与现实的“过度拟合”吧。从此观点看,那些作家和导演创作的虚幻、脱离现实的作品,它们的意义在于不光是增加大脑内信息数据库的量,还应该增加了分析数据库内容后总结出普适判断的能力,从而增加认知的视角。如果外星人了解到这些,他们就不会为人类为何如此痴迷于虚幻故事所奇怪。随着人类文明的不断进步,日常生活变得越来越趋复杂,“过度拟合”现象也会越来越泛滥。但是如果我们能学会如何做“人工梦”来解决这个问题,就像当年发明了烹调术彻底改变了人的消化功能,或许未来人们不再需要睡眠中的梦,在清醒状态下就能够通过“人工梦”来修正“过度拟合”这类问题。

(责任编辑:强树文_NJ7449)

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