Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое теория предиктивного мозга, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое теория предиктивного мозга, прогнозирующее кодирование , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Когнитивная психология.
теория предиктивного мозга — это идея о том, что мозг не просто пассивно “считывает” мир через органы чувств, а постоянно предсказывает, что сейчас увидит, услышит, почувствует, и затем сравнивает прогноз с реальными сигналами.
Проще:
Мозг не ждет данные от мира.
Он заранее строит гипотезу о мире, а потом проверяет ее.
прогнозирующее кодирование — это теория нейробиологии и когнитивных наук, согласно которой мозг постоянно генерирует прогнозы сенсорных сигналов и обновляет эти прогнозы на основе фактических данных. Эта теория предполагает, что восприятие является результатом постоянного сопоставления прогнозов мозга с реальными сенсорными данными и минимизации ошибок прогнозирования. Прогнозирующее кодирование тесно связано с Байесовскими подходами и теоремой Байеса.
Классическая модель восприятия выглядит так:
Мир → глаза/уши/кожа → мозг → понимание
А теория предиктивного мозга говорит, что все сложнее:
Мозг делает прогноз → получает сенсорные данные → сравнивает → исправляет модель
Например, ты видишь в темноте силуэт и думаешь: “это человек”. Подходишь ближе — оказывается, это вешалка. Мозг сначала сделал предсказание, потом получил ошибку предсказания и обновил модель.
В нейронауке это часто называют predictive coding или predictive processing: мозг поддерживает внутреннюю модель мира и обновляет ее, когда реальные сенсорные сигналы не совпадают с ожиданиями.
Идея прогнозирующего кодирования имеет глубокие корни в истории науки. В 1860 году немецкий физиолог Герман фон Гельмгольц предложил концепцию «бессознательного вывода», согласно которой восприятие основано на догадках и предположениях, которые мозг формирует на основе неполных сенсорных данных.
В 1981 году Джеймс Макклелланд и Дэвид Румельхарт разработали модель параллельной обработки информации, где восприятие определяется взаимодействием восходящих (сенсорных) и нисходящих (концептуальных) процессов.
В 1999 году Раджеш Рао и Дана Баллард представили вычислительную модель прогнозирующего кодирования для визуальной системы, которая объясняет активность нейронов как результат сравнения прогнозов и сенсорных сигналов.

Ключевой термин — prediction error, то есть ошибка предсказания.
Это разница между:
что мозг ожидал
и
что реально пришло от органов чувств
Пример:
Ты ожидаешь, что чашка будет тяжелой, поднимаешь ее — а она пустая и легкая. Рука резко дергается вверх. Это потому, что мозг заранее предсказал вес, но реальность не совпала.
Схематично:
Ожидание мозга: "Чашка тяжелая" ↓ Действие: рука готовится к большому весу ↓ Реальность: чашка легкая ↓ Ошибка предсказания: "вес оказался меньше" ↓ Мозг обновляет модель: "эта чашка пустая"
Если бы мозг каждый раз обрабатывал всю информацию “с нуля”, это было бы слишком медленно и энергозатратно.
Поэтому он использует прошлый опыт:
Прошлый опыт
↓
Внутренняя модель мира
↓
Прогноз
↓
Сравнение с реальностью
↓
Обновление модели
Это помогает быстро распознавать лица, речь, объекты, опасность, намерения других людей.
Например, когда ты читаешь текст с ошибками, ты все равно понимаешь смысл, потому что мозг не просто видит буквы, а предсказывает слова и фразы.
Один из важных выводов: мы не видим мир “как камеру”. Мы видим результат взаимодействия:
сенсорные данные + ожидания + память + контекст
Например:
Один и тот же звук в лесу ночью → кажется опасным днем в парке → кажется обычным
Сигнал может быть одинаковым, но предсказательная модель разная.
Когда человек говорит в шумном месте, мозг часто “достраивает” недостающие звуки.
Ты можешь не услышать фразу полностью, но все равно понять ее, потому что мозг предсказывает вероятное продолжение.
"Передай мне, пожалуйста, со..."
На кухне мозг может предсказать:
"соль"
В офисе:
"ссылку"
Контекст меняет прогноз.
Эта теория применяется не только к зрению или слуху, но и к эмоциям.
Эмоция может пониматься как прогноз мозга о состоянии тела и ситуации.
Например:
Учащенное сердцебиение + темная улица = страх Учащенное сердцебиение + спортзал = физическая нагрузка Учащенное сердцебиение + свидание = волнение
Телесный сигнал похожий, но мозг объясняет его по-разному в зависимости от контекста.
Мозг не только предсказывает, что он воспримет. Он еще может действовать так, чтобы сделать предсказание реальным.
Например:
Мозг предсказывает: "я должен увидеть чашку четче" ↓ Действие: поворачивает голову / переводит взгляд ↓ Сенсорные данные становятся понятнее
Это связано с идеей active inference — активного вывода. В рамках принципа свободной энергии Карла Фристона организм может уменьшать ошибку предсказания двумя путями: обновлять свои ожидания или действовать так, чтобы мир лучше соответствовал ожиданиям.
Ты заходишь домой и ожидаешь увидеть обычную обстановку.
Прогноз: "стол на месте, свет выключен, тихо" ↓ Реальность: свет включен, слышен звук ↓ Ошибка предсказания: "что-то не так" ↓ Внимание усиливается: мозг начинает искать причину
То есть внимание часто включается там, где прогноз нарушается.
С точки зрения этой теории, иллюзии могут возникать, когда предсказание мозга слишком сильно влияет на восприятие.
Грубо:
Слабый сенсорный сигнал + сильное ожидание = мозг "видит" то, чего нет
Например, если человек сильно ждет звонка, ему может показаться, что телефон завибрировал.
Это не значит, что теория полностью объясняет все галлюцинации, но она дает удобную модель: восприятие зависит от баланса между реальными сигналами и внутренними ожиданиями.
Теория предиктивного мозга похожа на некоторые идеи машинного обучения:
Модель делает прогноз ↓ Сравнивает с правильным ответом ↓ Считает ошибку ↓ Обновляет параметры
Но мозг работает не как обычная нейросеть из учебника. У него есть тело, эмоции, внимание, мотивация, память, действие и биологические ограничения.
Мозг похож не на камеру, а на автодополнение текста.
Когда ты печатаешь:
система может предсказать:
Так же мозг постоянно предлагает варианты:
А потом проверяет, насколько прогноз совпал с реальностью.
Эта теория очень влиятельная, но не является окончательно доказанной “теорией всего мозга”.
Есть споры:
Даже принцип свободной энергии, связанный с этой областью, обсуждается как мощная, но сложная и спорная попытка объединить восприятие, действие и обучение в одной математической рамке.
Прогнозирующее кодирование предполагает, что мозг структурирован иерархически. Высшие уровни иерархии формируют прогнозы о сенсорной информации, которая поступает от низших уровней. Эти прогнозы сравниваются с реальными сенсорными данными, поступающими на низшие уровни, и расхождения между прогнозом и реальными данными формируют ошибки прогнозирования.
Ошибки прогнозирования затем отправляются обратно на высшие уровни, чтобы обновить и уточнить прогнозы. Этот процесс позволяет мозгу постоянно адаптировать свои внутренние модели мира для минимизации ошибок прогнозирования.
Большая часть ранних работ, в которых применялась структура предиктивного кодирования к нейронным механизмам, была посвящена обработке сенсорной информации, особенно в зрительной коре . Эти теории предполагают, что кортикальная архитектура может быть разделена на иерархически расположенные уровни, которые соответствуют различным кортикальным областям. Считается, что каждый уровень содержит (по крайней мере) два типа нейронов: «нейроны предсказания», которые стремятся предсказывать восходящие входные сигналы для текущего уровня, и «нейроны ошибки», которые сигнализируют о разнице между входным сигналом и предсказанием. Считается, что эти нейроны в основном являются неповерхностными и поверхностными пирамидальными нейронами , в то время как интернейроны выполняют различные функции.
Внутри корковых областей имеются данные о том, что различные корковые слои могут способствовать интеграции прямых и обратных проекций через иерархии. Поэтому предполагается, что эти корковые слои играют центральную роль в вычислении прогнозов и ошибок прогнозирования, причем основной единицей является корковая колонка . Распространенное мнение заключается в том, что
Однако до сих пор нет единого мнения о том, как мозг, скорее всего, реализует предиктивное кодирование. Некоторые теории, например, предполагают, что супрагранулярные слои содержат не только нейроны ошибок, но и нейроны предсказаний. Также до сих пор ведутся споры о том, посредством каких механизмов нейроны ошибок могут вычислять ошибку предсказания. Поскольку ошибки предсказания могут быть как отрицательными, так и положительными, а биологические нейроны могут проявлять только положительную активность, требуются более сложные схемы кодирования ошибок. Чтобы обойти эту проблему, более поздние теории предполагают, что вычисление ошибок может происходить в нейронных дендритах . Нейронная архитектура и вычисления, предложенные в этих дендритных теориях, аналогичны тому, ч
Связь теории предиктивного мозга с интуицией очень прямая:
Интуиция — это быстрое предсказание мозга, основанное на прошлом опыте, но без явного логического анализа.
То есть мозг не говорит тебе пошагово:
Он сразу выдает ощущение:
С точки зрения предиктивного мозга:
Опыт и память
↓
Внутренняя модель мира
↓
Быстрое предсказание
↓
Телесное ощущение / эмоциональный сигнал
↓
Интуитивное решение
Например, опытный врач может быстро заметить, что пациент выглядит “не так”, еще до точного анализа симптомов. Его мозг сравнивает текущую картину с тысячами прошлых случаев.
Или опытный программист смотрит на код и сразу чувствует:
"тут, скорее всего, баг"
Хотя еще не может сразу объяснить, где именно.
Интуиция часто выглядит как “шестое чувство”, но в этой модели она скорее является результатом скрытой обработки:
Мозг заметил паттерн
↓
Не вывел его в сознание словами
↓
Но выдал прогноз через ощущение
То есть интуиция — это сжатый вывод мозга.
Почему интуиция иногда работает хорошо
Она хорошо работает там, где у человека есть большой опыт:
В этих случаях мозг уже накопил много моделей и быстро предсказывает развитие ситуации.
Проблема в том, что мозг предсказывает не “истину”, а наиболее вероятное по прошлому опыту.
Если опыт был неполным, травматичным, устаревшим или искаженным, интуиция может обманывать.
Прошлый негативный опыт
↓
Сильное ожидание угрозы
↓
Нейтральная ситуация кажется опасной
Например:
Человек однажды плохо выступил публично
↓
Мозг предсказывает: "выступление = опасность"
↓
Возникает тревога
↓
Хотя реальной угрозы может не быть
Интуиция может быть сигналом, что мозг заметил несовпадение:
Ожидание:
"все должно быть нормально"
↓
Реальность:
"есть маленькая странность"
↓
Ошибка предсказания:
"что-то не сходится"
↓
Интуитивное ощущение:
"что-то не так"
Например, ты читаешь сообщение и чувствуешь, что оно странное. Возможно, мозг заметил необычный тон, нехарактерные слова, время отправки или детали, которые сознание еще не сформулировало.
Короткая формула
Интуиция = быстрое предсказание + прошлый опыт + слабый сознательный контроль
Или еще проще:
Интуиция — это когда мозг уже сделал прогноз, но еще не объяснил тебе, почему.
Интуицию полезно слушать, но не всегда ей слепо доверять.
Лучший вариант:
Интуиция дает сигнал
↓
Логика проверяет сигнал
↓
Решение становится надежнее
То есть интуиция — хороший “радар”, но плохой единственный судья.
Прогнозирующее кодирование тесно связано с Байесовскими подходами к функционированию мозга. Эти подходы основываются на теореме Байеса, которая позволяет обновлять вероятность гипотезы на основе новых данных. Теорема Байеса выражается следующим образом:
где:
В конце 1990-х годов Раджеш Рао и Дана Баллард воплотили идею обработки данных сверху вниз и снизу вверх в вычислительную модель зрения. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Их статья продемонстрировала, что может существовать генеративная модель сцены (нисходящая обработка), которая получает обратную связь через сигналы ошибок. Это приводит к обновлению прогноза, что помогает мозгу более точно предсказывать сенсорный ввод.
В 2004 году Рик Груш предложил модель нейронной перцептивной обработки, согласно которой мозг постоянно генерирует предсказания на основе генеративной модели (которую Груш назвал "эмулятором") и сравнивает это предсказание с фактическим сенсорным вводом. Затем разница, или "сенсорный остаток", будет использована для обновления модели, чтобы получить более точную оценку воспринимаемой области. По мнению Груша, сигналы "сверху вниз" и "снизу вверх" будут объединены таким образом, чтобы учитывать ожидаемый шум (он же неопределенность) в восходящем сигнале, так что в ситуациях, когда известно, что сенсорный сигнал менее надежен, нисходящий прогноз будет иметь больший вес, и наоборот.
Прогностическое кодирование изначально разрабатывалось как модель сенсорной системы, в которой мозг решает проблему моделирования отдаленных причин сенсорного ввода с помощью байесовского вывода. Предполагается, что мозг поддерживает активную внутреннюю репрезентацию отдаленных причин, которые позволяют ему прогнозировать сенсорные сигналы. Сравнение прогнозов и сенсорных сигналов позволяет измерить разницу (например, ошибку прогнозирования), которая при значительном превышении ожидаемого статистического шума приводит к обновлению внутренней модели для лучшего предсказания в будущем.
Если модель точно предсказывает сенсорные сигналы, активность на более высоких уровнях нейтрализует активность на более низких уровнях, и внутренняя модель остается неизменной. Таким образом, прогностическое кодирование переворачивает традиционный взгляд на восприятие как на процесс, направленный снизу вверх, предполагая, что восприятие во многом ограничивается предыдущими предсказаниями.
Ошибки прогнозирования могут использоваться как для определения отдаленных причин, так и для их изучения посредством нейронной пластичности. Эта идея также присутствует в других теориях нейронного обучения, таких как разреженное кодирование.
Предиктивное кодирование первоначально было разработано как модель сенсорной системы , где мозг решает проблему моделирования дистальных причин сенсорного ввода с помощью варианта байесовского вывода . Оно предполагает, что мозг поддерживает активные внутренние представления дистальных причин, которые позволяют ему предсказывать сенсорные входы. Сравнение между предсказаниями и сенсорным вводом дает меру разницы (например, ошибка предсказания, свободная энергия или неожиданность), которая, если она достаточно велика, превышая уровни ожидаемого статистического шума, приведет к обновлению внутренней модели таким образом, чтобы она лучше предсказывала сенсорный ввод в будущем.

Концептуальная схема предиктивного кодирования с 2 уровнями.
Если же модель точно предсказывает управляющие сенсорные сигналы, активность на более высоких уровнях компенсирует активность на более низких уровнях, и внутренняя модель остается неизменной. Таким образом, предиктивное кодирование переворачивает традиционное представление о восприятии как о процессе, в основном идущем снизу вверх, предполагая, что оно в значительной степени ограничено априорными предсказаниями, где сигналы из внешнего мира формируют восприятие только в той степени, в которой они распространяются вверх по кортикальной иерархии в виде ошибки предсказания.
Ошибки прогнозирования могут использоваться не только для вывода дистальных причин, но и для их изучения посредством нейронной пластичности . Здесь идея заключается в том, что представления, усвоенные кортикальными нейронами, отражают статистические закономерности в сенсорных данных. Эта идея также присутствует во многих других теориях нейронного обучения, таких как разреженное кодирование , с центральным отличием в том, что в предиктивном кодировании изучаются не только связи с сенсорными входами (т.е. рецептивное поле ), но и нисходящие предиктивные связи от представлений более высокого уровня. Это делает предиктивное кодирование похожим на некоторые другие модели иерархического обучения, такие как машины Гельмгольца и глубокие сети доверия , которые, однако, используют разные алгоритмы обучения. Таким образом, двойное использование ошибок прогнозирования как для вывода, так и для обучения является одной из определяющих особенностей предиктивного кодирования.
Точность поступающего сенсорного ввода — это его предсказуемость на основе шума сигнала и других факторов. Оценки точности имеют решающее значение для эффективного минимизирования ошибки прогнозирования, поскольку позволяют взвешивать сенсорные входы и прогнозы в соответствии с их надежностью. Например, шум в визуальном сигнале меняется между рассветом и закатом, так что ошибкам сенсорного прогнозирования присваивается большая условная уверенность при ярком дневном свете, чем при наступлении темноты. Аналогичные подходы успешно используются в других алгоритмах, выполняющих байесовский вывод , например, для байесовской фильтрации в фильтре Калмана .
Также было высказано предположение, что такое взвешивание ошибок прогнозирования пропорционально их предполагаемой точности, по сути, является вниманием , и что процесс уделения внимания может быть нейробиологически осуществлен восходящими ретикулярными активирующими системами (АРС), оптимизирующими «усиление» единиц ошибки прогнозирования. Однако также утверждалось, что взвешивание точности может объяснить только «эндогенное пространственное внимание», но не другие формы внимания .
Тот же принцип минимизации ошибки прогнозирования был использован для объяснения поведения, в котором двигательные действия являются не командами, а нисходящими проприоцептивными прогнозами. В этой схеме активного вывода классические рефлекторные дуги координируются таким образом, чтобы избирательно получать сенсорный вход таким образом, чтобы лучше выполнять прогнозы, тем самым минимизируя ошибки проприоцептивного прогнозирования. Действительно, Адамс и др. (2013) рассматривают данные, свидетельствующие о том, что этот взгляд на иерархическое предиктивное кодирование в двигательной системе обеспечивает принципиальную и нейрологически правдоподобную основу для объяснения агранулярной организации двигательной коры. Этот взгляд предполагает, что «перцептивную и двигательную системы следует рассматривать не как отдельные, а как единую машину активного вывода, которая пытается предсказать свой сенсорный вход во всех областях: зрительной, слуховой, соматосенсорной, интероцептивной и, в случае двигательной системы, проприоцептивной».
Двойственная теория автоматических и сознательных когнитивных процессов закладывает основу для понимания работы человеческого разума в психологии . Идеи, связанные с двойной теорией, восходят к работе Уильяма Джеймса 1890 года, который различал привычные процессы, основанные на автоматических ассоциациях, сформированных на основе опыта, и произвольные процессы, включающие более трудоемкое, сознательное рассуждение. Это отражает более иерархическое и сознательное рассуждение, представляющее собой более волевой процесс. Эти первоначальные концепции автоматических и произвольных когнитивных процессов соотносятся с современной двойной теорией, разработанной многими психологами .
Некоторые исследователи проводят параллели между теориями двойного процесса и предиктивным кодированием. В этой точке зрения автоматическая обработка (часто называемая «системой 1») сравнивается с первоначальной обработкой сенсорной информации, тогда как целенаправленная обработка («система 2») сравнивается с активным поддержанием внутренних представлений и сравнением этих представлений с сенсорным входом. В частности, как отмечает Джонатан Эванс , система 2 теории двойного процесса, которая характеризуется рефлексивным процессом, позволяющим человеку преодолеть интуитивный процесс (т.е. первоначальное восприятие входных данных), тесно связана с вычислением ошибки прогнозирования (т.е. расхождения между ожидаемым значением и фактическим результатом). Хотя процесс активного поддержания внутреннего представления, постоянный мониторинг конфликта между новым опытом и внутренним представлением, а также смещение апостериорного значения (т.е. обновленное убеждение после объединения предыдущего убеждения и фактических данных) не выделяются однозначно в модели двойного процесса, общий механизм, требующий более целенаправленного и требующего усилий когнитивного процесса, описывается Системой 2.
В области когнитивной психологии и философии представление относится к ментальному кодированию внешних стимулов. В частности, оно определяется как гипотетический внутренний когнитивный символ, представляющий внешнюю реальность или ее абстракции (подробнее о представлении см. раздел « Ментальное представление »). В области философии ментальное представление рассматривается как посредник между реальным миром и наблюдателем (подробнее см. раздел «Философия сознания» ). В области когнитивной психологии предпринимались попытки проверить эту концепцию с помощью методов нейровизуализации, наиболее распространенным из которых является функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Этот метод включает в себя изучение активности мозга человека в ответ на внешние стимулы (например, показ картинки) .
В вычислительной нейробиологии модели активного предиктивного кодирования обычно включают представления визуальных стимулов, а также представления целенаправленного поведения. Эти представления взаимодействуют, чтобы адаптироваться к новым концепциям и усвоить их . В некоторых работах предпринимались попытки связать результаты исследований в нейробиологии и когнитивной психологии, изучая, как ошибки прогнозирования изменяются со временем. Изменения в ошибке прогнозирования интерпретировались как свидетельство того, что внутренние представления постоянно корректируются в ответ на новый сенсорный ввод, чтобы лучше соответствовать событиям во внешнем мире.
Точность сенсорных сигналов определяется их предсказуемостью, основанной на шуме сигнала и других факторах. Оценка точности позволяет эффективно минимизировать ошибки прогнозирования, взвешивая сенсорные сигналы и прогнозы в соответствии с их надежностью. Например, уровень шума в визуальном сигнале меняется между рассветом и сумерками, поэтому сенсорным ошибкам при дневном свете придается большее значение, чем в темноте.
Принцип минимизации ошибок прогнозирования также применяется к поведению. В этой схеме активного вывода двигательные действия представляют собой нисходящие проприоцептивные предсказания. Действия корректируются таким образом, чтобы сенсорная информация соответствовала этим предсказаниям, минимизируя ошибки проприоцептивного прогнозирования.
Прогностическое кодирование успешно применяется для объяснения процессов восприятия, особенно в зрительной системе.
Модели прогнозирующего кодирования также используются для объяснения интероцепции — восприятия внутренних состояний организма.
Теория прогнозирующего кодирования активно применяется в машинном обучении и смежных областях для создания более эффективных моделей репрезентативного обучения.
Эмпирические данные о предиктивном кодировании наиболее убедительны для перцептивной обработки. Еще в 1999 году Рао и Баллард предложили иерархическую модель обработки визуальной информации, в которой области зрительной коры высшего порядка посылают предсказания вниз, а прямые связи передают остаточные ошибки между предсказаниями и фактической активностью нижнего уровня. Согласно этой модели, каждый уровень в иерархической сети модели (за исключением самого нижнего уровня, который представляет изображение) пытается предсказать ответы на следующем более низком уровне посредством обратных связей, а сигнал ошибки используется для одновременной коррекции оценки входного сигнала на каждом уровне. Эмберсон и др. установили нисходящую модуляцию у младенцев, используя кросс-модальную аудиовизуальную парадигму пропуска, определив, что даже мозг младенцев имеет ожидания относительно будущего сенсорного ввода, передаваемого вниз по течению от зрительной коры, и способен к обратной связи, основанной на ожиданиях. Данные функциональной ближнеинфракрасной спектроскопии (fNIRS) показали, что затылочная кора головного мозга младенца реагировала на неожиданное визуальное отсутствие (без ввода визуальной информации), но не на ожидаемое визуальное отсутствие. Эти результаты показывают, что в иерархически организованной системе восприятия нейроны высшего порядка посылают предсказания нейронам низшего порядка, которые, в свою очередь, посылают обратно сигнал ошибки предсказания.
Существует несколько конкурирующих моделей роли предиктивного кодирования в интероцепции .
В 2013 году Анил Сет предположил, что наши субъективные эмоциональные состояния, иначе известные как эмоции, генерируются предиктивными моделями, которые активно строятся на основе причинно-следственных интероцептивных оценок. В отношении того, как мы приписываем внутренние состояния других людей причинам, Саша Ондобака, Джеймс Килнер и Карл Фристон (2015) предположили, что принцип свободной энергии требует от мозга создания непрерывной серии предсказаний с целью уменьшения количества ошибок предсказания, проявляющихся в виде «свободной энергии». Эти ошибки затем используются для моделирования упреждающей информации о том, каким будет состояние внешнего мира, и приписывания причин этого состояния мира, включая понимание причин поведения других людей. Это особенно необходимо, поскольку для создания этих приписываний нашим мультимодальным сенсорным системам необходимы интероцептивные предсказания для самоорганизации. Поэтому Ондобака утверждает, что предиктивное кодирование является ключом к пониманию внутренних состояний других людей.
В 2015 году Лиза Фельдман Барретт и У. Кайл Симмонс предложили модель кодирования предиктивной интероцепции, воплощенную в теле, — структуру, которая объединяет принципы активного вывода Байеса с физиологической структурой кортикокортикальных связей. Используя эту модель, они предположили, что агранулярные висцеромоторные кортексы отвечают за генерацию предсказаний об интероцепции, тем самым определяя опыт интероцепции.
В отличие от индуктивного представления о том, что категории эмоций биологически различны, Барретт позже предложил теорию сконструированных эмоций, согласно которой биологическая категория эмоций конструируется на основе концептуальной категории — накопления случаев, имеющих общую цель. В модели предиктивного кодирования Барретт выдвигает гипотезу, что в интероцепции наш мозг регулирует наше тело, активируя «воплощенные симуляции» (полноценные представления сенсорного опыта), чтобы предвидеть, что наш мозг предсказывает нам в сенсорном плане во внешнем мире, и как мы будем реагировать на это действиями. Эти симуляции либо сохраняются, если, основываясь на предсказаниях нашего мозга, они хорошо готовят нас к тому, что фактически происходит во внешнем мире, либо они, и наши предсказания, корректируются, чтобы компенсировать их ошибку по сравнению с тем, что фактически происходит во внешнем мире, и насколько хорошо мы были к этому подготовлены. Затем, в процессе проб и ошибок, наша система находит сходства в целях среди определенных успешных симуляций ожидания и группирует их в концептуальные категории. Каждый раз, когда возникает новый опыт, наш мозг использует эту историю проб и ошибок, чтобы сопоставить новый опыт с одной из категорий накопленных скорректированных симуляций, с которой он имеет наибольшее сходство. Затем он применяет скорректированную симуляцию этой категории к новому опыту в надежде подготовить наше тело к остальной части опыта. Если это не удается, предсказание, симуляция и, возможно, границы концептуальной категории пересматриваются в надежде на более высокую точность в следующий раз, и процесс продолжается. Барретт выдвигает гипотезу, что, когда ошибка предсказания для определенной категории симуляций для подобных переживаний минимизируется, в результате получается симуляция, основанная на корректировке, которую тело будет воспроизводить для каждого подобного переживания, что приводит к полномасштабному, основанному на корректировке, представлению сенсорного опыта — эмоции. В этом смысле Барретт предполагает, что мы конструируем свои эмоции, потому что концептуальная категориальная структура, которую наш мозг использует для сравнения новых переживаний и выбора соответствующей прогнозируемой сенсорной симуляции для активации, формируется в процессе работы.
С точки зрения развития, предиктивное кодирование изучалось в связи с биологическим созреванием мозговых систем, участвующих в ощущениях и познании, подчеркивая, как способность мозга генерировать и обновлять прогнозы развивается в раннем возрасте. Данные неонатальных исследований показывают, что механизмы ошибок прогнозирования возникают очень рано: записи вызванных потенциалов (паттерны мозговой активности, наблюдаемые в связи с конкретными событиями) показывают, что даже новорожденные различают ожидаемые и неожиданные звуки, что предполагает наличие очень базовой формы сенсорного прогнозирования . По мере роста детей эти предиктивные способности становятся более сложными по мере созревания их мозга и приобретения опыта (см. более подробную информацию в разделе «Развитие нервной системы »). Исследования на более поздних стадиях развития человека показывают, что развитие способностей направлять и контролировать внимание и процесс умозаключительного рассуждения происходит одновременно, поскольку многократное взаимодействие с окружающей средой укрепляет внутренние модели сенсорных закономерностей мозга (более подробную информацию о сложности и специализации нейронных связей на разных стадиях развития см. в разделе «Синаптическая обрезка »). Эта траектория развития описывается как переход от преимущественно реактивной обработки сенсорной информации в младенчестве к проактивному, основанному на моделях восприятию в детстве. По мере созревания сетей связанных областей мозга они поддерживают нисходящую модуляцию, при которой предшествующие знания формируют способ обработки сенсорной информации, и точное взвешивание, которое относится к тому, насколько сильно учитываются предшествующие ожидания по сравнению с новым сенсорным входом (см. раздел «Точное взвешивание» на этой странице Википедии). В целом, данное направление исследований интерпретируется как предположение о том, что предиктивное кодирование может способствовать развитию эффективного восприятия, внимания и обучения в детстве, предоставляя вычислительную основу для понимания того, как опыт формирует развивающийся мозг.
Исследования предиктивного кодирования в контексте развития часто включают использование подавления повторения (снижение определенного паттерна мозговой активности, наблюдаемое при многократном воздействии одних и тех же стимулов), поскольку оно обычно рассматривается как мера уменьшения ошибки прогнозирования. Другими словами, уменьшение ошибки прогнозирования будет указывать на то, что участник обновлял свое ментальное представление (т.е. ожидание), чтобы оно было ближе к представленным стимулам. Поэтому изучение развития подавления повторения рассматривается как косвенный показатель развития предиктивного вывода и ментального представления. Применение предиктивного кодирования в развитии человека не лишено ограничений. Например, большинство исследований, проверяющих предиктивное кодирование с помощью нейронных измерений (например, вызванных потенциалов мозга ), требуют ответов от участника, что невозможно для младенцев. Кроме того, изменения в анатомии и сети мозга в процессе развития усложняют интерпретацию ошибки прогнозирования, что требует осторожности при интерпретации современной литературы.
Было высказано предположение, что различия в процессах предиктивного кодирования играют роль в нейроразвивающих расстройствах, таких как расстройства аутистического спектра и синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) . Учитывая роль предиктивного кодирования в управлении восприятием окружающей среды, а также дальнейшим взаимодействием с ней, некоторые авторы предположили, что различия во внимании и когнитивных процессах, связанных с предиктивным кодированием, могут служить потенциальными биомаркерами или биологическими коррелятами для понимания нейроразвивающих расстройств .
В рамках типичного развития, согласно теории предиктивного кодирования, восприятие и интерпретация воспринимаемой информации зависят от когнитивных процессов более высокого порядка, которые минимизируют ошибку прогнозирования путем непрерывной корректировки ожиданий в соответствии с поступающим сенсорным входом. Согласно теориям предиктивного кодирования, у людей с нейро developmental disorders, такими как расстройство аутистического спектра (РАС) и СДВГ , может наблюдаться дисбаланс в том, какой вес придается предварительным ожиданиям по сравнению с поступающими сенсорными данными — явление, иногда называемое дисфункцией точного взвешивания . Например, исследования показывают, что при аутизме предварительные убеждения могут быть недооценены, что приводит к чрезмерной зависимости от сиюминутного сенсорного ввода и трудностям в отфильтровывании нерелевантных стимулов, что проявляется в виде сенсорной гиперчувствительности и сниженной способности учитывать контекст при обработке стимула . Предполагается, что при различных расстройствах такие различия приводят к менее точным внутренним представлениям, что может ухудшить способность мозга формировать точные прогнозы относительно социальных сигналов, вознаграждений и окружающей среды. В результате, аномалии предиктивного кодирования были предложены в качестве возможной когнитивной модели, которая могла бы помочь связать различные профили симптомов при нейро developmental disorders с лежащими в их основе различиями в иерархической обработке информации и обучении.
Измененная система предиктивного кодирования при психических расстройствах привлекла широкое внимание, вероятно, в попытке объяснить, как возникают симптомы психических расстройств. Ниже приведено описание текущих исследований, изучающих, как проблемы с предиктивным кодированием могут способствовать развитию различных психических расстройств.
Психотические расстройства . Психотические расстройства характеризуются симптомами галлюцинаций (видение, слышание, ощущение, обоняние или вкус чего-то, чего на самом деле нет) и бреда (сильно укоренившееся ложное убеждение, сохраняющееся, несмотря на явные противоречивые доказательства). В приложениях предиктивного кодирования несоответствие между априорными данными и ошибками прогнозирования может объяснить эти психотические симптомы . Существует три способа, которыми нарушение предиктивного кодирования может способствовать этим симптомам: 1) перевес сенсорных ошибок прогнозирования, 2) ослабление нисходящих априорных данных и 3) нарушение иерархической связи между лобными и сенсорными областями . Однако исследования, позволяющие разделить различные факторы, влияющие на ошибку прогнозирования, ограничены.
В отличие от типичных состояний, где восприятие зависит от баланса между априорными ожиданиями (прогнозами сверху вниз) и сенсорными данными (входными данными снизу вверх), взвешенными по их точности или предполагаемой надежности, некоторые исследования показывают, что у людей с психозом может быть нарушена регуляция взвешивания точности, что приводит либо к недооцененным априорным данным, либо к переоцененным ошибкам сенсорного прогнозирования . Согласно этой теории, внутренний шум может быть ошибочно интерпретирован как значимые сенсорные данные, что может способствовать галлюцинациям, а ложные ассоциации могут способствовать бредовым убеждениям, которые устойчивы к обновлению. Нейрофизиологические данные подтверждают этот дисбаланс: у людей с шизофренией наблюдается снижение негативности несоответствия (MMN) и нарушение сигнализации ошибок прогнозирования во фронтотемпоральных цепях головного мозга, что указывает на неспособность подавлять или адекватно обновлять сенсорные прогнозы .
На более высоких когнитивных уровнях некоторые исследователи связывают теории предиктивного кодирования с концепцией аберрантной значимости, которая относится к приписыванию чрезмерной важности стимулам, которые обычно считаются нерелевантными. Этот механизм согласуется с дофаминергической дисфункцией, поскольку предполагается, что дофамин кодирует точность ошибок прогнозирования; гипердофаминергические состояния усиливают шумные сигналы ошибок, подпитывая бредовые выводы и нестабильное восприятие. В совокупности эти данные были интерпретированы как согласующиеся с идеей о том, что психоз может быть связан с нарушением иерархического предиктивного кодирования, при котором нарушения как низкоуровневого сенсорного прогнозирования, так и высокоуровневого формирования убеждений взаимодействуют, вызывая характерные симптомы .
Расстройства пищевого поведения . В исследованиях расстройств пищевого поведения применяется концепция предиктивного кодирования. В рамках этого подхода некоторые теоретики предполагают, что нарушения пищевого поведения могут частично возникать из-за различий в интероцепции, восприятии внутренних телесных сигналов. Исследования интероцепции в области расстройств пищевого поведения сосредоточены на желудочно-кишечной интероцепции , которая определяется как процесс, посредством которого нервная система обнаруживает и интегрирует сигналы, исходящие из желудочно-кишечной системы. В частности, недавние исследования начали фокусироваться на взаимосвязи между различными аспектами профилей желудочно-кишечной интероцепции и различными нарушениями пищевого поведения (например, переедание , ограничительное питание ), что подтверждает полезность концепции предиктивного кодирования для дальнейшего понимания механизмов, лежащих в основе нарушений пищевого поведения .
С ростом популярности обучения представлений теория также активно изучается и применяется в машинном обучении и смежных областях.
Одна из самых больших проблем при тестировании предиктивного кодирования заключается в неточности того, как именно работает минимизация ошибки прогнозирования. В некоторых исследованиях увеличение сигнала BOLD интерпретировалось как сигнал ошибки, в то время как в других оно указывает на изменения во входном представлении. Важный вопрос, который необходимо решить, заключается в том, что именно представляет собой сигнал ошибки и как он вычисляется на каждом уровне обработки информации. Еще одна проблема, которая была поставлена, — это вычислительная разрешимость предиктивного кодирования. По мнению Квистаута и ван Ройя, субвычисления на каждом уровне структуры предиктивного кодирования потенциально скрывают вычислительно неразрешимую проблему, которая сводится к «непреодолимым препятствиям», которые еще предстоит преодолеть разработчикам вычислительных моделей.
Дальнейшие исследования могли бы сосредоточиться на уточнении нейрофизиологического механизма и вычислительной модели предиктивного кодирования.
Гипотеза предсказательного кодирования привлекает внимание своей высокой объяснительной силой. Она объединяет восприятие и моторный контроль как части единого вычислительного процесса. В обоих случаях мозг минимизирует ошибки прогнозирования, но делает это разными способами. В восприятии корректируется внутренняя модель, а в моторном контроле — реальная среда.
Эксперименты в области управления восприятием и моторикой дают убедительные доказательства гипотезы предсказательного кодирования. Например, в исследовании, опубликованном в журнале Neuroscience , испытуемые прочитали слово «kick» («удар») на экране, а затем услышали искаженную запись слова «pick» («выбери»), звучащую как громкий шепот. Многие участники все равно слышали «kick», а МРТ-сканирование показало, что мозг наибольшее внимание уделял начальным звукам «k» и «p», что было связано с ошибкой прогнозирования. Если бы мозг просто воспринимал слова, то наибольший сигнал должен был бы быть связан с «pick», так как это слово было представлено как на экране, так и в аудио.
Исследования продолжают развивать теорию предсказательного кодирования за пределы восприятия и движения. Например, Карл Фристон утверждает, что эта гипотеза может объяснить высшие когнитивные процессы, включая внимание и принятие решений. Недавние вычислительные работы над префронтальной корой головного мозга включают предсказательное кодирование в такие процессы, как рабочая память и целенаправленное поведение. Также недавнее исследование показало, что перегрузка рабочей памяти может нарушить синхронизацию работы мозга, что подтверждает важность прогностического кодирования в поддержании когнитивных функций .
Некоторые ученые предполагают, что эмоции и настроения могут быть объяснены через предсказательное кодирование: эмоции могут быть состояниями, которые мозг генерирует для минимизации ошибки прогнозирования внутренних сигналов, таких как температура тела, частота сердечных сокращений или кровяное давление. Например, если мозг распознает возбуждение, он понимает, что все эти факторы начинают увеличиваться, что может привести к повышению давления.
Большая часть исследований в этой области сосредоточена на том, как предсказательное кодирование может объяснить психоневрологические расстройства и нарушения развития. Как отметил Карл Фристон: «Если мозг — это машина для вывода, орган статистики, то, когда что-то идет не так, он совершит те же ошибки, что и статистик: будет делать неправильные выводы, уделяя слишком много или слишком мало внимания либо прогнозам, либо ошибкам в прогнозах».
Аутизм, например, может быть связан с неспособностью игнорировать ошибки прогнозирования, возникающие на самых низких уровнях обработки сенсорных сигналов. Это может привести к проблемам с восприятием ощущений, потребности в повторении и предсказуемости, а также чувствительности к определенным иллюзиям и эффектам. В противоположность этому, в случаях, связанных с галлюцинациями, таких как шизофрения, мозг может уделять слишком много внимания собственным прогнозам о происходящем и игнорировать сенсорную информацию, которая им противоречит. Однако ученые предупреждают, что аутизм и шизофрения слишком сложны, чтобы их можно было объяснить одной теорией. Недавние исследования, опубликованные в *Nature*, подтверждают, что предсказательное кодирование также может быть использовано для объяснения нейробиологических основ психоневрологических расстройств, таких как шизофрения .
В лабораторных экспериментах, проведенных Корлеттом, было показано, что можно создать новые «убеждения» у здоровых испытуемых, которые побуждают их «галлюцинировать» стимулы, которые они ранее воспринимали. Например, в одном из экспериментов участники ассоциировали тон с визуальным рисунком, и они продолжали слышать этот тон, даже когда звука не было.
Ученые продолжают исследовать, как эти убеждения могут влиять на восприятие, что дает новые доказательства того, что восприятие и познание не так сильно разделены, как предполагалось ранее. Новые убеждения могут изменить то, как вы воспринимаете мир, но эти доказательства пока еще не достаточно убедительны.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) и исследования вызванных потенциалов (ВП) широко используются для изучения предиктивного кодирования у людей. В рамках этой концепции компоненты ВП часто интерпретируются как нейронные маркеры сигналов об ошибке прогнозирования, генерируемые, когда сенсорный вход отличается от ожидаемого. Например, негативность несоответствия (MMN) , вызываемая неожиданными звуками, отражает автоматическое обнаружение нарушений прогнозирования и адаптируется с обучением и вниманием. Компоненты, связанные с мониторингом производительности, такие как негативность, связанная с ошибкой (ERN/Ne), и позитивность ошибки, были связаны с несоответствием между внутренним представлением правильного ответа и фактическим ответом . Более поздние компоненты, такие как P300 и негативность, связанная с обратной связью (FRN), были связаны с обновлением когнитивных моделей или моделей вознаграждения более высокого порядка. Полученные результаты интерпретируются как соответствующие моделям предиктивного кодирования, в которых обработка информации организована иерархически, от ранних перцептивных несоответствий до более абстрактных корректировок убеждений.
Несмотря на эти данные, установление уникальной связи между компонентами ЭВП и ошибками прогнозирования остается сложной задачей. ЭВП представляют собой совокупную нейронную активность из перекрывающихся источников, и на их амплитуду влияют многочисленные когнитивные процессы, такие как внимание, новизна и значимость стимулов, эффекты обучения и привыкание к стимулам. Например, амплитуда P300 часто отражает общее обновление или возбуждение. Парадигмы ЭЭГ и ЭВП предоставили важные доказательства предсказательной обработки, хотя альтернативные объяснения остаются. Тем не менее, для различения подлинных сигналов ошибок прогнозирования от более широких когнитивных или перцептивных влияний необходимы тщательный экспериментальный дизайн и анализ на основе моделей.
Одной из главных проблем при тестировании прогнозирующего кодирования является неточность в понимании процесса минимизации ошибок прогнозирования. Важно определить, что именно представляет собой сигнал ошибки и как он вычисляется на каждом уровне обработки информации.
Будущие исследования могут сосредоточиться на выявлении нейрофизиологических механизмов прогнозирующего кодирования и создании более точных вычислительных моделей.
Несмотря на широкую популярность, теория прогнозирующего кодирования сталкивается с рядом критических замечаний. Одной из основных проблем является то, что экспериментальные результаты часто подтверждают прогнозирующую обработку, но не всегда являются ее уникальным объяснением. Некоторые ученые утверждают, что другие теории также могут интерпретировать эти результаты.
Как отмечает нейробиолог Георг Келлер из Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера в Швейцарии:
«Теория широко признана в научных кругах, но в области системной нейробиологии она все еще немного не признана».
Георг Келлер и его коллеги провели исследование, опубликованное в журнале Neuron , в котором наблюдали за поведением нейронов у мышей в необычных условиях. Исследователи случайно перевернули направления виртуального мира при обучении мышей видеоигре. В результате они обнаружили, что по мере адаптации мышей к измененным правилам сигналы в мозге менялись медленно. Если бы нейронные сигналы были простыми сенсорными представлениями, они бы немедленно подстроились под новую виртуальную среду. Это открытие говорит о том, что нейроны участвуют в предсказании визуального потока на основе движений:
«Речь идет о предсказании визуального потока при заданном движении», — заявил Энди Кларк.
Исследования, проведенные на макаках, также предоставляют доказательства в пользу прогнозирующего кодирования. Нейроны в более низких отделах обработки лиц кодируют детали, связанные с ориентацией лица, тогда как нейроны в более высоких уровнях представляют абстрактные особенности, такие как личность. В эксперименте, когда ожидания макак о последовательности лиц были нарушены, ошибки прогнозирования проявились на низших уровнях обработки:
«Было интересно находить ошибки в предсказаниях и конкретное содержание предсказаний в этой системе», — сказал ведущий автор исследования Каспар Швидрзик из Европейского института нейробиологии в Геттингене, Германия.
Однако критики утверждают, что эти результаты подтверждают лишь совместимость прогнозирующего кодирования с наблюдаемыми данными, но не обязательно доказывают его исключительность. Альтернативные механизмы обработки информации также могут объяснять некоторые из этих эффектов.
Исследователь Лючия Меллони из Института эмпирической эстетики Макса Планка во Франкфурте отмечает, что ее группа обнаруживает данные у людей, которые также могут быть интерпретированы как ошибки прогнозирования:
«Мы начинаем видеть результаты, совместимые с объяснением ошибки прогнозирования в нейронных данных».
Таким образом, хотя прогнозирующее кодирование остается одной из ведущих теорий нейробиологии восприятия, оно продолжает требовать дальнейших экспериментальных доказательств и сравнений с альтернативными подходами.
Теория предиктивного мозга говорит:
Мозг постоянно строит модель мира ↓ Предсказывает сенсорные сигналы ↓ Сравнивает прогноз с реальностью ↓ Исправляет модель или действует ↓ Снова предсказывает
Главная мысль:
Мы не просто воспринимаем мир.
Мы постоянно угадываем мир — и исправляем догадку по ошибкам.
Исследование, описанное в статье про теория предиктивного мозга, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое теория предиктивного мозга, прогнозирующее кодирование и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Когнитивная психология
Комментарии
Оставить комментарий
Когнитивная психология
Термины: Когнитивная психология