從物理學(xué)公式找到奇妙靈感，博士生用極簡模型發(fā)現(xiàn)認知策略

來源 | 返樸

撰文 | 路飛

2025年7月2日，加州大學(xué)圣地亞哥分校神經(jīng)科學(xué)博士生李濟安在

Nature

自亞里士多德提出“人是理性的動物”這一經(jīng)典論斷，理性便被視作人類行為決策的核心原則。從經(jīng)濟學(xué)中的“理性人”假設(shè)，到?jīng)Q策理論中對最優(yōu)選擇的追求，諸多思想與研究都暗含著對人類決策理性的肯定。著名認知心理學(xué)家、普林斯頓大學(xué)教授丹尼爾·卡尼曼在其暢銷書《思考，快與慢》中向世人拋出一個重要問題，“人類究竟有多理性？”有意思的是，雖然諾貝爾獎中沒有心理學(xué)獎，但是丹尼爾·卡尼曼作為認知心理學(xué)家，憑借著對于人的行為決策方面的研究貢獻，于2002年獲得了諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎。在日常生活中，人們看似繁雜的決策背后，往往藏著對成本、收益與風(fēng)險的權(quán)衡，這種基于理性的判斷貫穿于從日常購物到職業(yè)規(guī)劃的方方面面。

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，大模型正成為人類決策的重要輔助力量。從金融投資中的風(fēng)險預(yù)測，到醫(yī)療診斷中的方案推薦，從城市交通的智能調(diào)度，到個人學(xué)習(xí)計劃的定制，大模型憑借對海量數(shù)據(jù)的分析能力和復(fù)雜邏輯的運算能力，不斷為人類提出更精準、高效的最優(yōu)決策路徑，讓理性決策在更多領(lǐng)域得以延伸。比如，AlphaFold因為對蛋白質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的預(yù)測，獲得了2024年諾貝爾化學(xué)獎。

然而，人類決策機制的深層邏輯始終籠罩著一層神秘面紗。為何在相同信息下不同人會做出迥異選擇？決策過程中理性與直覺如何交織作用？這些問題推動著腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)與心理學(xué)等多學(xué)科展開持續(xù)探索。人工智能的飛速發(fā)展，正在重新激發(fā)人們對一個關(guān)鍵問題的關(guān)注：AI能否反過來幫助我們理解大腦？7月2日，加州大學(xué)圣地亞哥分校神經(jīng)科學(xué)博士生李濟安在Nature發(fā)表研究，嘗試給出答案。

是“最優(yōu)”的，但不是對的

如何理解文中提到的微型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能夠刻畫生物體的策略學(xué)習(xí)過程，進而揭示決策行為中隱含的復(fù)雜認知機制？李濟安先從傳統(tǒng)認知模型構(gòu)建娓娓道來。

在心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，研究者常通過計算模型解析生物體的認知過程，如感知、記憶、決策與學(xué)習(xí)機制。以決策為例，模型可幫助理解個體如何基于過往經(jīng)驗，在多個選項中做出選擇。

傳統(tǒng)認知建模方法中，貝葉斯最優(yōu)模型由研究者依據(jù)任務(wù)結(jié)構(gòu)手動構(gòu)建，其核心假設(shè)是生物體整合所有可用信息，以概率最優(yōu)方式判斷。例如醫(yī)生診斷時綜合癥狀、檢驗結(jié)果、流行病趨勢與經(jīng)驗積累證據(jù)，正是這種不確定信息整合的體現(xiàn)，該模型默認個體對信息和不確定性有最優(yōu)估計。

另一類典型方法是強化學(xué)習(xí)模型，它假設(shè)人或動物通過與環(huán)境互動，從“獎勵”或“懲罰”中學(xué)習(xí)行為策略。比如在老虎機任務(wù)中，參與者經(jīng)反復(fù)嘗試逐漸偏好中獎率更高的機器，這一通過獎勵優(yōu)化策略的過程，可由強化學(xué)習(xí)算法模擬其行為價值更新機制。

這些模型具有一個共同特點：它們結(jié)構(gòu)簡潔，參數(shù)量少，比如“學(xué)習(xí)率”（即控制新信息更新速度）和“決策噪音”（即干擾決策的影響因素，反映行為的隨機性），因此容易解釋和擬合。但恰恰因其簡潔性以及隱含的最優(yōu)性假設(shè)，它們往往難以捕捉真實生物行為中普遍存在的復(fù)雜性與次優(yōu)性。

例如實驗中觀察到，當獎勵結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后，動物常常仍固守之前的選擇偏好——即便新選擇更優(yōu)。這種“固執(zhí)”的行為現(xiàn)象很難被最優(yōu)模型解釋。研究者往往需要在模型中人為增加額外的“慣性”參數(shù)，或設(shè)計特定規(guī)則來擬合實際行為。然而，隨著需解釋的行為細節(jié)不斷增多，模型結(jié)構(gòu)會變得愈發(fā)繁瑣，充滿“補丁式”假設(shè)，這不僅容易引入主觀偏見，也使其難以推廣應(yīng)用到其他情景任務(wù)中。

這是傳統(tǒng)認知模型一直為學(xué)界所詬病的弊端。

李濟安從2021年開始著手利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究人的行為決策，他想了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)人的行為決策背后的策略是什么。這是對傳統(tǒng)認知模型的直接亮劍，是否存在一種無需預(yù)設(shè)的建模方式，能夠讓模型直接從行為數(shù)據(jù)中“自主發(fā)現(xiàn)”策略？

李濟安 | 圖源：本人提供

得益于李濟安本科期間扎實的數(shù)理基礎(chǔ)，他 從物理學(xué)公式中找到了理解神經(jīng)科學(xué)的奇妙角度——從動力系統(tǒng)出發(fā)的公式發(fā)現(xiàn)。

“我是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)12級本科生，雖然我本科是生物學(xué)專業(yè)，但是科大的學(xué)生在本科期間數(shù)學(xué)和物理都是必修的，數(shù)理基礎(chǔ)比較好，業(yè)內(nèi)人常說我們的數(shù)學(xué)課比其他數(shù)學(xué)專業(yè)的課程還難，我覺得這一定程度上影響了我的思維。”李濟安表示，“很多時候?qū)W了這些知識，當時可能沒覺得有用，但是可能在某一瞬間靈光乍現(xiàn)，所有學(xué)科是相通的。”

自動公式發(fā)現(xiàn)的核心基于符號回歸技術(shù)。與常見的函數(shù)擬合不同，擬合往往只是用已知函數(shù)形式去逼近數(shù)據(jù)，而符號回歸是在給定的函數(shù)庫（包含對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、多項式函數(shù)等）中，通過組合和算術(shù)運算生成一個函數(shù)，力求精確擬合輸入輸出數(shù)據(jù)。例如在研究物體的運動軌跡時，符號回歸能從物體在不同時刻的位置、速度等數(shù)據(jù)里，找到描述其運動規(guī)律的準確公式，像勻加速直線運動的位移公式s=v0t+1/2at2就有可能被自動發(fā)現(xiàn)。李濟安通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，這一原理已經(jīng)廣泛應(yīng)用到物理、工程科學(xué)等領(lǐng)域中。

受此啟發(fā)，李濟安提出了一種新的方法：使用微型循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（recurrent neural network，RNN）作為通用策略學(xué)習(xí)器，對個體的行為動態(tài)進行建模（圖1）。

圖1 RNN模型概覽 | 圖源：論文

從物理學(xué)中的動力系統(tǒng)出發(fā)

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）是一類專為建模時間序列數(shù)據(jù)設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其核心優(yōu)勢在于能通過內(nèi)部的循環(huán)連接機制，自動捕捉數(shù)據(jù)隨時間推移形成的動態(tài)依賴關(guān)系，比如行為序列中前后動作的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

李濟安所采用的模型極具精簡性，僅包含1-4個神經(jīng)單元。這種輕量化設(shè)計讓模型在保留對復(fù)雜行為模式足夠表達能力的同時，維持了較強的可解釋性，使得深入分析其內(nèi)部神經(jīng)元的活動機制與決策邏輯成為可能。

李濟安的核心研究問題是：這種結(jié)構(gòu)極簡、完全數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型，是否能夠在無需任何人為假設(shè)的前提下，捕捉復(fù)雜且非最優(yōu)的行為模式——比如人們常常懶得換、愛用老辦法（“偏好保持”）或在“嘗鮮”和“吃老本”之間反復(fù)權(quán)衡（“探索-利用”權(quán)衡）等，它是否能夠在多樣化任務(wù)中超越傳統(tǒng)強化學(xué)習(xí)或混合策略模型的表現(xiàn)？

實驗結(jié)果顯示，這些微型循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在六類經(jīng)典獎勵學(xué)習(xí)任務(wù)中（涵蓋人類、猴子、小鼠、大鼠的行為數(shù)據(jù)）表現(xiàn)出色，在行為預(yù)測精度上全面優(yōu)于傳統(tǒng)模型（如圖2所示），并可與更大規(guī)模的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相媲美（如圖3所示）。這表明，即便使用高度壓縮的網(wǎng)絡(luò)，它依舊能學(xué)會并舉一反三地模仿各種復(fù)雜決策，展現(xiàn)出用模型理解動物和人類的行為的巨大潛力。

圖2 RNN在動物任務(wù)中的表現(xiàn) | 圖源：論文

圖3 蒸餾模型的表現(xiàn) | 圖源：論文

這些僅有1–4個神經(jīng)元構(gòu)成的RNN模型在行為預(yù)測上不僅準確，而且具備很強的可解釋性。“在模型中，動物行為的決策隨時間變化，我突然一瞬間就想到了物理學(xué)中研究小球的運動，需要記錄運動的方向、時間、距離等等。于是我就用物理學(xué)中的動力系統(tǒng)的分析方法，用一張圖來呈現(xiàn)決策過程，以當前動作偏好（Logit）為坐標、用箭頭或顏色指示下一步的變化方向與幅度。這是整個研究中最大的突破點。”李濟安解釋道，“這些圖片展示了不同模型在運行時的關(guān)鍵特點，比如哪些狀態(tài)是穩(wěn)定的，哪些狀態(tài)會吸引模型靠近，以及模型如何在狀態(tài)間切換，清晰地呈現(xiàn)了動物的思維如何從一個想法或狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個。”

李濟安從動力系統(tǒng)出發(fā)的研究方法，帶來了很多意料之外的發(fā)現(xiàn)。例如，某些行為策略會根據(jù)不同的狀態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)速度，類似人在不同情境下改變學(xué)習(xí)方式。此外，它還揭示了一些傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的新心理機制，如獎勵后可能表現(xiàn)出“無所謂”傾向，決策時不再在意差別。

起初，2023年5月李濟安第一次投稿時，只用了三個動物的數(shù)據(jù)集。審稿人認為說服力不夠，“應(yīng)用性不夠廣泛”。于是，他在二輪返稿的時候，補充了人類的數(shù)據(jù)集。結(jié)果同樣符合預(yù)期，審稿意見這才明朗起來。

圖4 基于動力系統(tǒng)分析的模型解釋和比較

極具啟發(fā)性的是，李濟安發(fā)現(xiàn)即使是面對復(fù)雜任務(wù)，描述單個個體的行為所需的最小網(wǎng)絡(luò)維度也很低。這提示了每個受試對象在特定任務(wù)中的“最小行為維度”是有限的。這種從動力學(xué)系統(tǒng)出發(fā)的研究方法不僅有助于刻畫個體差異，也為認知建模提供了一個新的、可量化的指標來描述行為的復(fù)雜性。

最振奮人心的是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在人們心中將會發(fā)生轉(zhuǎn)變，不再只是一個行為擬合的黑箱工具，而正在成為一種認知顯微鏡。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具長期被喻為“黑箱”，其核心在于：數(shù)據(jù)輸入后經(jīng)多層神經(jīng)元的加權(quán)計算、特征傳遞最終輸出結(jié)果，但內(nèi)部數(shù)據(jù)處理邏輯、特征提取過程與決策依據(jù)均難以用清晰直觀的方式解釋——人們能看到輸入與輸出，卻無法透視內(nèi)部運作的“齒輪與鏈條”，這種不透明性也帶來了可解釋性不足的挑戰(zhàn)。

而李濟安他們的研究表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅具備數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模能力，還能通過壓縮與適當?shù)哪Ｐ头治觯沂境鰸撛诘男袨樯蓹C制。這項研究成果不僅擴展了認知建模的工具集，也為高可解釋性行為建模提供了新的方向。

這種研究范式與當前“AI for Science”的趨勢不謀而合，即：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為模型發(fā)現(xiàn)的中介工具，能夠從高維實驗數(shù)據(jù)中提取結(jié)構(gòu)化知識。為了實現(xiàn)知識的可解釋表達，需要找到適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)化表示形式。理想的表示形式應(yīng)滿足兩點：一是具備良好的預(yù)測能力，二是對人類研究者而言語義清晰、邏輯透明。例如，Alpha Fold在蛋白質(zhì)建模中通過圖結(jié)構(gòu)表示氨基酸間的幾何約束。

在該項研究中，這種結(jié)構(gòu)化形式體現(xiàn)為低維離散動力系統(tǒng)，即只用少數(shù)幾個關(guān)鍵指標，描述和預(yù)測事件隨時間如何一步步變化。這為生物體策略行為提供了一種可計算、可視化且易于理解的抽象結(jié)構(gòu)。

本碩博三個不同專業(yè)，只做一件事情

“要說從什么時候?qū)Υ竽X、神經(jīng)、生物這些感興趣，應(yīng)該要追溯到我小時候”，李濟安陷入思考。

李濟安1994年出生于安徽蕪湖，從小學(xué)就學(xué)習(xí)編程語言，參與電腦競賽班。初中起，他開始對生物感興趣。由此，他憑借生物競賽和計算機競賽保送中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016年獲神經(jīng)生物與生物物理理學(xué)學(xué)士、計算機科學(xué)與技術(shù)（雙）工學(xué)學(xué)士學(xué)位。2019年獲中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用統(tǒng)計碩士學(xué)位。目前在加州大學(xué)圣地亞哥分校讀博，從事神經(jīng)科學(xué)研究。

本碩博三個專業(yè)，乍一看毫不相關(guān)，但實則不然。本科期間，除了周末攻讀計算機課程，李濟安還加入了張效初老師的生命科學(xué)院認知神經(jīng)心理學(xué)實驗室，這是他科研之路的開端。在研究中，他發(fā)現(xiàn)應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)是從事學(xué)術(shù)研究工作的工具和基礎(chǔ)，于是碩士轉(zhuǎn)向應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)。在此期間，他一邊跟隨統(tǒng)計學(xué)導(dǎo)師，一邊跟隨生物學(xué)導(dǎo)師，向著預(yù)測人類行為的方向持續(xù)深耕。

“其實現(xiàn)在很多研究人員都是交叉學(xué)科背景的，像做神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的，你會發(fā)現(xiàn)有人工智能的、統(tǒng)計學(xué)的、心理學(xué)的。我覺得學(xué)習(xí)研究是一個過程，做好前期充足的知識儲備，才可能會在潛移默化中迸發(fā)靈感。比如我一直沒有丟下AI的學(xué)習(xí)，沒有忽略研究工具的學(xué)習(xí)。”

在大語言模型能力持續(xù)發(fā)展的當下，AI與神經(jīng)科學(xué)的關(guān)聯(lián)日益緊密，由此催生了新興的NeuroAI領(lǐng)域。這一領(lǐng)域主要關(guān)注兩個方向的探索：一是“用AI研究大腦”（AI for Neuro），希望借助AI技術(shù)自動處理神經(jīng)數(shù)據(jù)、提取相關(guān)特征，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬神經(jīng)元活動規(guī)律與認知過程，驗證或提出新的神經(jīng)科學(xué)理論；二是“用大腦啟發(fā)AI”（Neuro for AI），希望借助神經(jīng)科學(xué)技術(shù)理解AI系統(tǒng)的內(nèi)部工作原理，基于生物大腦高效的信息處理方式，讓AI變得更聰明、更節(jié)能、更具類人性。

這項研究揭示了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以幫助我們理解人類的認知機制，正如前文提及NeuroAI有兩個核心議題，李濟安的研究并沒有止步。

在本項研究塵埃落定之后，他接著去驗證了第二個議題，反過來嘗試用神經(jīng)科學(xué)中的理論，來解釋大型語言模型（LLMs）所展現(xiàn)出的某些智能特性。結(jié)果表明，語言模型確實展現(xiàn)出一定程度的基于上下文學(xué)習(xí)的元認知能力：它們不僅能夠監(jiān)控自己內(nèi)部的神經(jīng)狀態(tài)，還能在一定程度上對其進行調(diào)控。

末了，李濟安沉浸在研究中，臉上略顯興奮，“這種互為鏡像、相互促進的智能理解體系，正是NeuroAI所描繪的愿景。”

參考資料

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-025-09142-4

[2] 智能之鏡：NeuroAI 如何反映大腦與人工智能的未來