导言：在非洲的热带稀树大草原上，隐隐约约，你看到一团黄色不明物体，身形庞大……是一堆干草？还是一头饥肠辘辘的狮子？就这些有限的信息，看你如何决断……
关键词：视觉系统；推理
赌桌上，是什么让你的大脑根据眼前的一切“全押”？筹码图片来源：www.shutterstock.com
此刻，想象你正漫步在非洲的热带稀树大草原上，突然你注意到草丛中隐隐约约有一团黄色的庞然大物。根据这有限的信息，你需要很快判断出自己是否处于危险之中，并立刻作出反应。你可能在纠结：这到底是一堆干草，还是一头饥肠辘辘的狮子呢？
像这种情况下，我们的大脑必须充分利用复杂、不确定的视觉信息来作出下一瞬间的决定。基于这些视觉信息，我们作出的推断以及随后的决定可能面临截然不同的结果：适当地躲过危险，或者成为狮子的盘中餐。
传统意义上，神经科学家认为视觉信息处理过程即按先后顺序发生的连续事件，筛选出（眼睛看到的）根据随时空变化的信号。但是近来，我们开始认为这一过程活跃性、互动性更强。因为当视觉系统试图处理收到的不确定的感官信息时，会使用先验知识以及现有证据来对正在发生的事情作出明智的猜测。
视觉系统：不止眼睛
当然，眼睛能帮我们观察到周围所发生的一切，它对我们而言至关重要。但是大部分深入研究的人类视觉系统却是位于大脑内的。
眼睛所收集的数据被传送到大脑的视觉处理中枢。视觉系统图像来源：www.shutterstock.com.
T视网膜位于你眼睛的后方，其中含有感光细胞，能感知并回应环境中的光源。这些感光细胞进而激活神经元，而神经元负责将信息传递给位于大脑后部的视觉皮层。然后视觉皮层将对这些原始数据进行进一步处理，所以我们能够根据眼睛的原始输入数据作出适当的反应。
视觉皮层由一个解剖和功能的层次结构组成。在微观解剖和功能作用以及生理学等方面，每一阶段各不相同，换而言之即神经元如何回应对不同的刺激。
传统的方法：通过视觉皮层的信息层级由下往上逐渐升高，塔顶端最终会出现精确的画面。金字塔图像来源：www.shutterstock.com.
传统而言，研究人员认为这种层次结构按照顺序，从低到高，一层一层地过滤信息。他们相信：大脑视觉中每一阶段都会收到来自低一层视觉信号，完善后再往上层传递。比如，在一特定阶段中，从一个场景中进行高对比的边缘提取，以便随后形成对某个形状以及物体的边界认知。
研究人员原本认为：最后，在其神经活动模式中，最高级的视觉皮层将呈现一个“有意义的画面”，而我们即可据此采取下一步行动。但最近关于神经科学的一些发展证明事实并非如此。
因为，这个世界本身不断变化——因而，整个视觉环境瞬息万变，而且我们从许多研究中得知视觉大脑的能力是极为有限的。凭借比如视觉注意与视觉记忆等方式，大脑能够帮助自己有效地利用这些有限的视觉资源。
所以，在一个高度不确定的环境中，仅有很少的信息，大脑如何有效导航呢？答案就是，放手一搏。
最佳瞎猜，碰碰运气
大脑需要利用有限的信息输入——可能既模棱两可又复杂多变的信息，来对周围正在发生的事作出合理猜测。如果猜测准确，即可凭此作出下一步决策。
为了做到这一点，大脑基本上会赌上所有的信息碎片。为了制定出最佳行动方案，大脑可能根据一小片感知信息作出判断，赌一赌世界正在发生什么，从而得到最佳的回报。
我猜对了吗？来源：Maggie Villiger, CC BY-ND
让我们再回到稀树大草原中，当时草丛在动，你看到一团黄色庞然大物，半遮半掩。你难以判断：这个物体引起草丛移动了吗？黄色的一团是什么？它会对我产生危险吗？
当然，这一连串的问题与我们下一步的行动密切相关。有效利用这些有限的视觉信息（移动的草丛，黄色庞然大物）对我们的行动至关重要。如果我们推断出这团黄色物体确实是一头狮子或者其它食肉动物，我们可以决定火速朝相反方向逃离。
而推理可以定义为建立在证据和推论之上的决定。这个案例中，这种推理（那是一头狮子）是根据证据（黄色庞然大物，移动的草丛）以及推理（狮子身形庞大，在稀树大草原中出现）而来的。神经科学家们认为概率性推理是基于先验信息和现有证据的估算。
大脑双向连接
在过去二十年间，神经解剖学以及神经生理学方面的证据表明：在视觉皮层的层次结构中，每一阶段从上至下以及从下至上存在许多连接。这并不是说信息也会反向传递，或者信息自下而上不断精确化，而是整个视觉系统更像是一个互动的层次结构。很显然，它是通过循环使用前馈与反馈的方式来解决世界中所固有的不确定性。这就要求在每个层次结构中，从下至上的现有证据以及从上往下的先验信息相互配合。
而且，解剖学以及生理学方面的证据指出，内部相互连接更高的视觉大脑与行为方案总是配合巧妙。在一系列视觉任务中——比如识别对象，或者在不相关对象中寻找某个特定对象，并简要记住出现的视觉信息，人类行为与依据概率推理规则而产生的预期一致。而我们的预期行为则建立在一个假设之上，即概率推理能够合理响应实际实验数据。
自然选择意味着基于错误视觉想法的人们可能是思考时间不足。图片来源：Ali Moradmand, CC BY-SA
合理猜测，减少错误
神经科学家们认为通过自然选择，大脑可以效减少认知与预期之间的不一致情形。要减少这些矛盾，根据先验信息，我们势必会采用概率推理来预测下一条信息。神经科学家将这个过程称之为预测编码。
虽然，支持使用预测编码方法的大部分数据，均由研究视觉系统来而来。但现在研究人员正致力于推广这一观点，并将其运用到大脑中信息传递的其他过程。这种方法为现代神经科学带来了许多潜在的研究方向，包括对单个神经元的低层次反应以及更高层次神经元动力学的关系认知等（比如在脑电图（EEG）或脑电图上记录的群体活动）。
虽然“感觉”是一个推理的过程，这一观点并不新颖，但近年来现代神经科学却给它注入了新鲜的血液，并使这一领域发生了翻天覆地的变化。而且，这种方法有望加强我们的认知，即信息传递过程并不仅局限于视觉信息的信息处理，而包括所有形式的感官信息以及更高级的过程，比如决断、记忆以及意识思维等等。
作者：Alex Burmester是就职于纽约大学感知与记忆研究所。
（翻译：夏雪 审校：张玲）
原文链接【科学美国人博客】：
http://theconversation.com/gambling-on-limited-information-our-visual-system-and-probabilistic-inference-57410
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