แนวทางแบบเบย์เซียนในการทำงานของสมองตรวจสอบความสามารถของระบบประสาทในการทำงานในสถานการณ์ที่ไม่แน่นอนในลักษณะที่ใกล้เคียงกับค่าที่เหมาะสมที่สุดตามที่กำหนดโดยสถิติแบบเบย์เซียน [ ^{1 ] [ 2 ] คำ}นี้ใช้ในวิทยาศาสตร์พฤติกรรมและประสาทวิทยาศาสตร์และการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับคำนี้มักพยายามอธิบาย ความสามารถทางปัญญาของ สมองโดยอาศัยหลักการทางสถิติ มักสันนิษฐานว่าระบบประสาทรักษาแบบจำลองความน่าจะเป็น ภายใน ที่ได้รับการปรับปรุงโดยการประมวลผลทางประสาทของข้อมูลทางประสาทสัมผัสโดยใช้วิธีการที่ใกล้เคียงกับ ความน่าจะเป็นแบบเบ ย์เซียน^{[ 3 ] [ 4 ]}

สาขาวิชานี้มีรากฐานทางประวัติศาสตร์มาจากหลากหลายสาขา รวมถึง การเรียนรู้ ของเครื่องจักรจิตวิทยาเชิงทดลองและสถิติแบบเบย์เซียนตั้งแต่ช่วงปี 1860 ผลงานของเฮอร์มันน์ เฮล์มโฮลทซ์ในจิตวิทยาเชิงทดลองได้จำลองความสามารถของสมองในการดึงข้อมูลการรับรู้จากข้อมูลทางประสาทสัมผัสโดยใช้การประมาณค่าความน่าจะเป็น^{[ 5 ] [ 6 ]} แนวคิดพื้นฐานคือระบบประสาทจำเป็นต้องจัดระเบียบข้อมูลทางประสาทสัมผัสให้เป็น แบบจำลองภายในที่แม่นยำของโลกภายนอก

ความน่าจะเป็นแบบเบย์เซียนได้รับการพัฒนาโดยผู้มีส่วนร่วมสำคัญหลายท่านPierre-Simon Laplace , Thomas Bayes , Harold Jeffreys , Richard CoxและEdwin Jaynesได้พัฒนาเทคนิคและขั้นตอนทางคณิตศาสตร์สำหรับการจัดการความน่าจะเป็นในฐานะระดับความน่าเชื่อถือที่สามารถกำหนดให้กับสมมติฐานหรือข้อสันนิษฐานที่กำหนดโดยอาศัยหลักฐานที่มีอยู่^{[ 7 ]}ในปี 1988 Edwin Jaynesได้นำเสนอกรอบการทำงานสำหรับการใช้ความน่าจะเป็นแบบเบย์เซียนเพื่อจำลองกระบวนการทางจิต^{[ 8 ]}ดังนั้นจึงตระหนักได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ว่ากรอบการทำงานทางสถิติแบบเบย์เซียนมีศักยภาพที่จะนำไปสู่ความเข้าใจในการทำงานของระบบประสาท

แนวคิดนี้ได้รับการนำไปใช้ในการวิจัยเกี่ยวกับการเรียนรู้แบบไม่กำกับดูแลโดยเฉพาะอย่างยิ่งแนวทางการวิเคราะห์โดยการสังเคราะห์ ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของ การเรียน รู้ของเครื่อง^{[ 9 ] [ 10 ]}ในปี 1983 Geoffrey Hintonและเพื่อนร่วมงานเสนอว่าสมองสามารถมองได้ว่าเป็นเครื่องจักรที่ทำการตัดสินใจโดยอาศัยความไม่แน่นอนของโลกภายนอก^{[ 11 ]}ในช่วงทศวรรษ 1990 นักวิจัยหลายคน รวมถึงPeter Dayan , Geoffrey Hinton และ Richard Zemel เสนอว่าสมองแสดงความรู้เกี่ยวกับโลกในแง่ของความน่าจะเป็น และได้เสนอแนวคิดเฉพาะสำหรับกระบวนการทางประสาทที่สามารถจัดการได้ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นถึงเครื่องจักร Helmholtz ดัง กล่าว^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

การศึกษาวิจัยจำนวนมากตีความผลลัพธ์ของการทดลองทางจิตกายภาพโดยพิจารณาจากแบบจำลองการรับรู้แบบเบย์เซียน พฤติกรรมการรับรู้และการเคลื่อนไหวของมนุษย์หลายด้านสามารถจำลองได้ด้วยสถิติแบบเบย์เซียน แนวทางนี้ซึ่งเน้นผลลัพธ์ทางพฤติกรรมเป็นการแสดงออกขั้นสูงสุดของการประมวลผลข้อมูลทางประสาท ยังเป็นที่รู้จักกันดีในการจำลองการตัดสินใจทางประสาทสัมผัสและการเคลื่อนไหวโดยใช้ทฤษฎีการตัดสินใจแบบเบย์เซียน ตัวอย่างเช่น งานของ^Landy [ 15 ^{] [ 16 ] Jacobs} [ ^{17 ] [ 18 ] Jordan} , Knill ^{[ 19 ] [ 20 ]} Kording และ Wolpert ^{[ 21 ] [ 22 ]}และ Goldreich ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

การศึกษาเชิงทฤษฎีจำนวนมากตั้งคำถามว่าระบบประสาทสามารถนำอัลกอริทึมแบบเบย์เซียนมาใช้ได้อย่างไร ตัวอย่างเช่น งานของ Pouget, Zemel, Deneve, Latham, Hinton และ Dayan George และHawkinsได้ตีพิมพ์บทความที่สร้างแบบจำลองการประมวลผลข้อมูลของเปลือกสมองที่เรียกว่าหน่วยความจำเชิงเวลาแบบลำดับชั้นซึ่งอิงตามเครือข่ายเบย์เซียนของห่วงโซ่ Markovพวกเขายังเชื่อมโยงแบบจำลองทางคณิตศาสตร์นี้กับความรู้ที่มีอยู่เกี่ยวกับสถาปัตยกรรมของเปลือกสมองและแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทสามารถจดจำรูปแบบได้โดยการอนุมานแบบเบย์เซียนเชิงลำดับชั้น^{[ 26 ]}

งานวิจัยทางด้านสรีรวิทยาไฟฟ้าหลายชิ้นในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การแสดงความน่าจะเป็นในระบบประสาท ตัวอย่างเช่น งานของShadlenและ Schultz

การเข้ารหัสแบบทำนายเป็นแผนการที่สมเหตุสมผลทางชีววิทยาประสาทสำหรับการอนุมานสาเหตุของอินพุตประสาทสัมผัสโดยอาศัยการลดข้อผิดพลาดในการทำนายให้น้อยที่สุด^{[ 27 ]}แผนการเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องอย่างเป็นทางการกับการกรอง Kalmanและแผนการอัปเดตแบบ Bayesian อื่นๆ

ในช่วงทศวรรษ 1990 นักวิจัยบางคน เช่นGeoffrey HintonและKarl Fristonเริ่มตรวจสอบแนวคิดของพลังงานอิสระในฐานะมาตรวัดที่สามารถคำนวณได้ของความคลาดเคลื่อนระหว่างคุณลักษณะที่แท้จริงของโลกและการแสดงคุณลักษณะเหล่านั้นที่ถูกจับโดยแบบจำลองเครือข่ายประสาท^{[ 28 ]} เมื่อไม่นานมานี้ Karl Fristonได้พยายามสังเคราะห์^{[ 29 ]}โดยที่สมองแบบเบย์เซียนเกิดขึ้นจากหลักการทั่วไปของการลดพลังงานอิสระให้เหลือน้อยที่สุด [ ^{30 ] ใน}กรอบนี้ ทั้งการกระทำและการรับรู้ถูกมองว่าเป็นผลมาจากการระงับพลังงานอิสระ ซึ่งนำไปสู่การอนุมานเชิงรับรู้^{[ 31 ]}และเชิงรุก^{[ 32 ]}และมุมมองที่เป็นรูปธรรมมากขึ้น (เชิงปฏิบัติ) ของสมองแบบเบย์เซียน การใช้ วิธีการแบบ เบย์เซียนแปรผันสามารถแสดงให้เห็นได้ว่าแบบจำลองภายในของโลกได้รับการอัปเดตโดยข้อมูลทางประสาทสัมผัสเพื่อลดพลังงานอิสระหรือความคลาดเคลื่อนระหว่างข้อมูลป้อนเข้าทางประสาทสัมผัสและการคาดการณ์ของข้อมูลป้อนเข้านั้นให้เหลือน้อยที่สุด สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ (ในแง่ที่สมเหตุสมผลทางชีววิทยาประสาท) ว่าเป็นการเข้ารหัสเชิงทำนาย หรือโดยทั่วไปแล้วคือการกรองแบบเบย์เซียน

ตามที่ Friston กล่าวไว้: ^{[ 33 ]}

"พลังงานอิสระที่พิจารณาในที่นี้แสดงถึงขอบเขตของความประหลาดใจที่มีอยู่ในการแลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อม ภายใต้ความคาดหวังที่เข้ารหัสโดยสถานะหรือการกำหนดค่า ระบบสามารถลดพลังงานอิสระให้น้อยที่สุดได้โดยการเปลี่ยนการกำหนดค่าเพื่อเปลี่ยนวิธีการสุ่มตัวอย่างสิ่งแวดล้อม หรือเพื่อเปลี่ยนความคาดหวัง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สอดคล้องกับการกระทำและการรับรู้ตามลำดับ และนำไปสู่การแลกเปลี่ยนแบบปรับตัวกับสิ่งแวดล้อมซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของระบบชีวภาพ การดำเนินการนี้บ่งชี้ว่าสถานะและโครงสร้างของระบบเข้ารหัสแบบจำลองโดยนัยและเชิงความน่าจะเป็นของสิ่งแวดล้อม" ^{[ 33 ]}

งานวิจัยด้านนี้ได้รับการสรุปเป็นคำพูดที่คนทั่วไปเข้าใจได้ในบทความปี 2008 ในNew Scientistซึ่งนำเสนอทฤษฎีที่เป็นเอกภาพของการทำงานของสมอง^{[ 34 ]} Friston อ้างสิทธิ์ดังต่อไปนี้เกี่ยวกับพลังในการอธิบายของทฤษฎี:

"แบบจำลองการทำงานของสมองนี้สามารถอธิบายแง่มุมทางกายวิภาคและสรีรวิทยาของระบบสมองได้หลากหลาย เช่น การจัดเรียงตามลำดับชั้นของพื้นที่เยื่อหุ้มสมอง สถาปัตยกรรมแบบวนซ้ำโดยใช้การเชื่อมต่อไปข้างหน้าและย้อนกลับ และความไม่สมมาตรเชิงหน้าที่ในการเชื่อมต่อเหล่านี้ ในแง่ของสรีรวิทยาของไซแนปส์ แบบจำลองนี้ทำนายถึงความยืดหยุ่นแบบเชื่อมโยง และสำหรับแบบจำลองแบบไดนามิก ความยืดหยุ่นที่ขึ้นอยู่กับเวลาของสไปค์ ในแง่ของสรีรวิทยาไฟฟ้า แบบจำลองนี้อธิบายถึงผลกระทบของสนามรับสัญญาณแบบคลาสสิกและนอกคลาสสิก และส่วนประกอบที่มีความล่าช้าหรือภายในของการตอบสนองของเยื่อหุ้มสมองที่ถูกกระตุ้น แบบจำลองนี้ทำนายการลดทอนของการตอบสนองที่เข้ารหัสข้อผิดพลาดในการทำนายด้วยการเรียนรู้การรับรู้ และอธิบายปรากฏการณ์หลายอย่าง เช่น การระงับการทำซ้ำความเป็นลบที่ไม่ตรงกันและ P300 ในคลื่นไฟฟ้าสมอง ในแง่ของจิตวิทยา แบบจำลองนี้อธิบายถึงความสัมพันธ์เชิงพฤติกรรมของปรากฏการณ์ทางสรีรวิทยาเหล่านี้ เช่นไพรม์ปิ้งและลำดับความสำคัญโดยรวม" ^{[ 33 ]}

"การแสดงให้เห็นว่าทั้งการอนุมานการรับรู้และการเรียนรู้ขึ้นอยู่กับการลดพลังงานอิสระหรือการระงับข้อผิดพลาดในการคาดการณ์นั้นค่อนข้างง่าย" ^{[ 33 ]}

• ทฤษฎีวิวัฒนาการดาร์วินสากล – คาร์ล ฟริสตันเก็บถาวรเมื่อ 7 กุมภาพันธ์ 2020 ที่Wayback Machine