本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
中午時分，一輛救護車把羅斯送到了急診室。
分診護士用他們特有的簡潔風格寫著“50歲精神分裂症女性，能聽到/看到已故的男友”。醫療團隊做了標準的檢查——體溫、血壓、心電圖、實驗室檢查以篩查電解質失衡、可能解釋羅斯病情的藥物或毒素。一切似乎正常，這使得羅斯（其姓名和敘事細節已被更改以保護她的隱私）成為了一名精神科病人。
於是我前往急診室的B翼，這裡是醫療服務和精神科服務之間的某種過渡地帶。
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B翼總是熙熙攘攘。一個長長的禮賓式櫃檯，擺放著三臺電腦，正對著房間的中心，這個中心基本上是一個大的矩形。當坐在其中一臺電腦前時，你可以看到環繞外牆的九個病房中的每一個。從這個有利位置，B翼變成了一個圓形劇場，病人們躺在輪床大小的壁龕裡，展示著一些突發的醫療問題：B7，胸痛；B9，急性呼吸短促。
羅斯的醫療檢查已過關，所以她的輪床被降級到了舞臺的右側，櫃檯的末端。我從舞臺的左側進入，注意到她正穿過房間，雙腳放在輪床的頭部，用枕頭墊著；她的頭在腳的那一端，脖子稍微彎曲在邊緣。她的雙手整齊地放在腹部，濃密的頭髮形成了一條灰色的河流，一直延伸到油氈上。
羅斯用堅定但隨和的語氣對著天花板說：“史蒂文為什麼要說他沒死？怎麼會有人如此殘忍？”她像一個黏土動畫人物一樣張大了嘴，慢慢地吐出每一個音節，把殘忍分成了殘-忍。她在微笑。
我靜靜地站著，觀察著羅斯凝視上方的場景。幾秒鐘後，我意識到她在等著天花板回答。
“我明白了，”我喃喃自語，回憶起分診護士的記錄，然後去找凳子進行我的訪談。
當我回來時，羅斯正坐直在輪床上，表情完全不同。她的眼睛因存在的痛苦而眯了起來，她的嘴和眉毛都扭曲成一種鬼臉。我伸出了沒被接受的握手，問我能幫上什麼忙。
“嗯，有人非常殘-忍，”她宣佈道，警惕地向上瞪著。“我聽到史蒂文的聲音說他沒死。我看到他了。但他三月份就死了。”
然後，她笑著轉向我，問道：“怎麼會有人如此殘-忍地假裝他沒死？為什麼要騙我？為什麼，醫-生？”她的目光又回到天花板上。在問了一些無人回答的問題後，我自行離開，退到走廊裡，前往精神科急診室檢視她的病歷。
羅斯擁有經濟學博士學位，曾在當地大學任教。大約20年前，她被診斷出患有精神分裂症。她的妄想症對藥物反應良好，但她不喜歡服用這些藥物，因為它們讓她感覺“不舒服”。她會停止服藥，她的妄想症會復發，在醫院待幾天後，藥物會使她平靜下來，然後她會回到家中重新開始這個迴圈。然後她遇到了史蒂文。
史蒂文幫助羅斯記得她的藥物，穩定了她的生活。沒有史蒂文，更重要的是，沒有藥物，她就像一艘沒有龍骨的船。最終，她傾覆了。
讓我感到震驚的是，每次入院時，她都會帶著頑固的妄想症而來，但在服藥幾天後就會消失。我內心深處的神經科學家感到非常沮喪：這就像她在遭受認知上的“心臟病發作”後才毫無預警地來到我們這裡。
作為一名內科實習生，我測量過病人的血壓和膽固醇，並結合病人的年齡和種族等資料，我估計他們患心臟病的風險。對我來說，跟蹤病人一段時間的血壓和膽固醇，如果達到令人擔憂的水平，就開藥（並增加藥量）是常規操作。因為心臟病發作有醫生認真對待的已知風險因素。
沒有妄想症的風險計算器。在羅斯的案例中，只有當她仰面躺在輪床上，詢問天花板關於她已故男友的鬼魂時，她才會到達急診室。然而，心臟病發作發生在多年的動脈粥樣硬化和高血壓之後；精神病發作也必須有可測量的警告訊號。但要測量什麼呢？
卡爾·弗里斯頓和自由能原理
精神分裂症是一種嚴重的致殘疾病，它扭曲了一個人的現實結構，常常將其撕裂。我想象，在採訪他們的第一個“羅斯”時，每位臨床醫生都會停下來思考現實與意識之間的聯絡，感覺與感知之間的聯絡。在20世紀80年代，一位這樣的年輕臨床醫生是卡爾·弗里斯頓。
弗里斯頓——他現在被認為是最具影響力的神經科學家之一，因為他幾十年來做出的連續的里程碑式貢獻——曾在劍橋大學岡維爾和凱斯學院以及倫敦國王學院醫院學習醫學。他在牛津大學完成了精神病學住院醫師實習。弗里斯頓將他大部分的臨床時間用於治療精神分裂症患者，並對他們的大腦中發生的事情感到困惑。
正電子發射斷層掃描（PET）最近被應用於大腦，允許研究人員根據活躍區域從血液中吸收多少放射性示蹤劑來間接測量大腦功能。因此，在20世紀90年代初，弗里斯頓轉向PET來研究精神分裂症患者的大腦。當時，每個研究小組都有自己的內部軟體來用PET測量大腦活動。
有些人會在每個受試者中視覺上勾勒出一個區域（即，那部分看起來像運動皮層），並觀察該區域內的活動如何隨著不同條件而變化（例如，按下按鈕與休息）。改進如何排列人們不同形狀的大腦的解剖結構（博士導師彼得·福克斯的這項工作仍然非常出色）允許研究人員減去整個PET影像，並檢視整個大腦的活動在不同條件下平均變化的位置和程度。
但弗里斯頓認為，由於每個受試者的PET影像中的每個值（一個三維的數字串）都對應於相似的解剖結構，他不妨用嚴格的統計檢驗來比較每個對應的值。因此，弗里斯頓潛心研究，建立了統計引數對映，這是一個允許神經科學家用統計檢驗比較PET掃描的軟體程式。
然後，弗里斯頓做了其他小組沒有做的事情：他免費地與神經科學界分享了它。這個軟體幾乎立即被該領域採用，全球約90%的神經科學家仍然使用它來分析他們的神經影像資料。許多研究表明，精神分裂症患者的前額葉皮層、前扣帶皮層和丘腦（負責管理決策的區域）的大腦活動異常。
幾年後，當磁共振成像（MRI）成為一種有用的方法時，弗里斯頓開發了（免費的）工具來更詳細地研究大腦的結構和功能，這是PET無法提供的——他（和該領域）隨後將其應用於理解精神分裂症。這些研究表明，精神分裂症涉及一個隨著時間推移而逐漸受損的大腦區域網路。至關重要的是，這種損害似乎是較大網路內各個區域之間的有害斷開，是19世紀關於精神瓦解概念的體現。
然後，弗里斯頓將目光轉向大腦功能的統一理論，以更好地瞭解精神分裂症大腦中發生的事情。他希望這個理論能夠提供一種方法，不僅可以測量大腦的結構和功能，還可以測量該結構和功能如何與大腦的整體決策過程、我們如何感知和行為聯絡在一起。這個理論的核心部分是自由能原理。
自由能原理有點像大腦的使命宣言：最大限度地減少驚訝。我們的眼睛、耳朵等收集的感官資料是對環境的不完整取樣。例如，眼睛只能檢測到非常狹窄的可見光譜（400-700奈米），但僅視網膜每秒就向大腦傳送大約1010位元（1.25千兆位元組）的巨量資訊。在更大的宇宙中，大腦是一個弱者，一個註定要篩選不完整的原始畫素和聲音片段的混亂（並且即時）地在不確定且潛在的敵對地形中導航的器官。為了有效地做到這一點，大腦會建立模型。
大腦如何模擬世界
想象一片森林。你可能不是在想一個特定的森林，而是你對森林的心理模型。在你的“森林”模型中，你期望感知到樹木（你也有一個關於樹木的心理模型）。現在假設你正在這片森林中跋涉，你的大腦正在期待感官資料，這些資料表明視覺流中有樹幹——靜止的、垂直的、特定顏色的物體。
因為你正在這片森林中跋涉，如果你感覺到視覺中有垂直排列的一系列棕色畫素，你的大腦會產生“樹幹”的感知，並改變路線以避免不愉快的碰撞。（值得注意的是，如果你坐在客廳裡，你會有一個不同的“客廳”模型，而類似的棕色畫素系列可能會產生“落地鍾”的感知，這在森林中會非常令人驚訝。）
經驗教會你，你的“森林”模型如此可靠地穩定，並且你在森林場景中跋涉時如此有可能感知到“樹幹”，你甚至可能不會注意到樹木，而是在潛意識中感知它們，而不會去想“那是樹幹……那邊是樹幹……等等”。這種“森林中的樹幹”模型讓你騰出大腦與你的徒步夥伴交談或思考你的一天。
但是，如果你經過一根“樹幹”後，感覺到一陣沙沙聲，然後是咆哮聲，該怎麼辦？然後，那些靜止的棕色畫素開始稍微向你傾斜。驚訝的你仔細一看，注意到一個巨大的陰影正在向你移動。糟糕。
驚訝是不好的。驚訝意味著你的“森林中的樹幹”模型未能代表和預測現實。這意味著你正在失控地走向混亂甚至死亡的狀態。為了最大限度地減少驚訝，大腦必須改變一些東西。它可以更新感知（例如，“哦，那是一隻熊！”）或透過行動改變感官資料（例如，“離開那個看起來像熊的東西！”）——在這種情況下，它可能會同時做這兩件事。
自由能原理將大腦描述為一臺機器，其目標是預測環境中發生的事情。因為它是預測（而這些預測可能是錯誤的），所以它容易出現統計錯誤，如假陽性和假陰性。在沒有樹幹的地方感知到樹幹是假陽性。沒有感知到熊是假陰性。這些令人驚訝的、異常的推斷具有不同的成本級別：“熊”假陰性的成本相當高，而“樹幹”假陽性的成本則較低。為了生存，大腦需要最大限度地減少驚訝，或減少感知到的與實際存在的（潛在飢餓的）世界之間的差異。
羅斯的自由能
我仍然對羅絲感到困惑，於是我發郵件給弗里斯頓，他很友善地接受了我的跨大西洋谷歌電話諮詢。弗里斯頓操著一口流利的英國口音，聽起來和我設想的一模一樣：開明、才華橫溢。他說話時會用停頓來分隔句子，這些句子又流暢地組成結構良好的段落。
弗里斯頓一直對精神分裂症很感興趣：“在我所做的所有影像學和理論神經科學研究中，始終存在一種迫切的願望，那就是讓研究能夠應用於精神病學，特別是精神分裂症研究。” 弗里斯頓解釋說，“然而，儘管他做了大量的工作，他說我們直到現在才開始開發出測量和理解這種疾病的工具。”
我描述了羅絲的案例，她的病史以及我們在急診室的交流，她如何看到並與她知道已經去世的男友交談，以及她那只有極端情緒的瞬息萬變的情感。
“那麼她的大腦裡發生了什麼？”我問道。
我們討論了他的自由能原理，以及我們如何形成世界模型來預測我們在環境中應該如何行動。在健康的大腦中，感覺被輸入到一個模型中，這個模型基於學習到的、情境性的預期，產生對環境的感知；棕色的垂直畫素被感知到，並在“森林中的樹幹”模型的背景下，被感知為樹幹。如果有人在森林裡跋涉時遇到熊或老式落地鍾，他們會感到驚訝，並反過來更新他們的“森林”模型，以包括熊和老式落地鍾。
弗里斯頓認為，在精神分裂症中，大腦難以平衡感知到的事物與對預期事物的先驗信念。由於這種不平衡，大腦會產生不準確且不適當地穩定的環境模型，因為大腦不太可能根據實際看到、聽到和感覺到的內容來更新其模型。在精神分裂症中，大腦如此強烈地確信應該感知到樹木或熊，以至於它將它們強行變成現實。這是精神科醫生稱之為幻覺的典型的誤報。
自由能與精神分裂症
最近發表在《科學》雜誌上的一項研究，將實驗方法應用於弗里斯頓的自由能原理。該專案由耶魯大學的兩位神經科學家菲爾·科利特和艾爾·鮑爾斯（他也是一名精神科醫生）與義大利高階研究國際學校的認知神經科學家克里斯·馬蒂斯合作領導。他們實驗的目的是訓練某人產生幻覺，然後測量他們產生幻覺時發生了什麼。
在他們的實驗中，參與者被反覆展示一個與音調配對的棋盤格。當他們聽到音調時，參與者被要求按下按鈕；所以，棋盤格，音調，按鈕；棋盤格，音調，按鈕。在用這種“棋盤格然後音調”模型訓練人們之後，研究人員停止在棋盤格後播放音調。他們想看看不同的人會如何反應：棋盤格，音調，按鈕；棋盤格，[沉默]，按鈕？
正如預期的那樣，健康的參與者犯了一些錯誤；即使是健康的大腦也是不完美的。但是鮑爾斯和科利特發現，患有可診斷精神疾病的人不適當地堅持訓練的模型，並且即使在多個棋盤格之後出現多次沉默，他們也不太可能更新自己的信念。
然後，他們使用弗里斯頓的統計引數對映來檢視參與者的大腦活動，透過功能性磁共振成像測量。他們發現，在棋盤格後出現意外的沉默時，沒有精神病的人的小腦活動激增，小腦被認為會處理錯誤訊號或預期與感知之間的不匹配。似乎小腦正在努力弄清楚為什麼“棋盤格然後音調”模型失敗了，以及為什麼他們沒有聽到音調。
但是在患有精神病的人中，隨著參與者感覺模型越穩定，小腦中的活動減少了。就好像患有精神病的人如此固執地相信“棋盤格然後音調”模型，以至於他們失控的模型關閉了大腦準確評估環境的能力，從而導致持續的誤報。
科利特和鮑爾斯還發現，產生幻聽的人（作為精神病的一部分或作為自我描述的“千里眼通靈者”）“聽到”不存在的音調的可能性是其他人的五倍。他們也更確定自己聽到了不存在的音調。事實上，隨著參與者確定性的增加，負責聽覺感知的大腦區域的活動也隨之增加。在沒有感覺的情況下產生感知；失控的模型已經失控。
弗里斯頓將這項研究應用於羅絲，他解釋說，在史蒂文去世之前，羅絲已經形成了一個穩定的模型，使她能夠駕馭她的環境。他繼續說道：“從這個角度來看，人們會認為，透過藥物治療和一種相當可預測、穩定的生活方式，[羅絲] 處於前驅期，”這意味著她患有精神分裂症，但她沒有出現症狀。儘管羅絲的疾病使她容易產生沒有根據的感知（即，聽到不存在的音調），但藥物治療使她的大腦能夠將她的模型與實際感知到的內容進行比較和更新，因此她無法維持妄想。有了史蒂文和她的藥物，“她的生活是穩定的，它是可預測的，也就是說，她的生成模型可以預測它。”
弗里斯頓認為，羅絲的認知臨界點是史蒂文的去世。他停頓了一下，表示同情地說：“改變或壓力大的生活事件對大腦在建模世界方面提出了巨大要求。悲傷反應是對大腦幾乎每個等級的深刻重塑；是對超越每種模式的生成模型的重塑——你期望在面孔方面看到誰，你觸控誰，你吃的食物。”沒有史蒂文，羅絲的整個生成模型——她的日常活動，她對每天每一刻的期望——都被顛覆了，迫使她的大腦修改她認為自己的一天會如何展開的信念。沒有了她的日常活動，她停止服用藥物。沒有了她的藥物，她的大腦就失去了與現實的聯絡，因為她的疾病導致她傾向於相信她的環境應該是什麼樣子，而忽略了實際存在的事物。因此，毫不奇怪，她開始聽到史蒂文的聲音——因為她期望聽到。如果羅絲期望聽到史蒂芬的聲音，那麼（從她的角度來看）聽到史蒂芬的聲音對她的大腦來說是最不令人驚訝和最優的解決方案。
羅絲的瓦解作為一種悲傷反應
我安排在當地一家酒吧與科利特和鮑爾斯交談，瞭解他們的研究結果如何應用於羅絲，並討論弗里斯頓對悲傷的想法。我們有一天晚上在街上見面，所以，三位神經科學家走進了一家酒吧……。
在一個空曠的後廳裡的一張小型圓形桌子旁，我們討論了羅絲的故事。以任何合理的標準來看，人們可能會認為，經過五年的密切合作，科利特和鮑爾斯已經協調了他們的人格：兩人都用長方形的塑膠眼鏡框住了他們粗短的臉。他們倆都依賴左手和眉毛來強調他們說話時的單詞和想法。兩人都非常雄辯。當我們討論悲傷時，燈光昏暗，背景音樂播放著爵士樂。
鮑爾斯告訴我：“看到已故的親人可能是普通人群中最常見的幻覺，在所有文化中都是如此。這發生在悲傷中——以及對各種壓力的反應中。患者在社會壓力（例如失去住房、不得不輟學等）的情況下，症狀也會急劇惡化。”
來自英國的科利特插話說，補充了這個想法：“人們可能會說：隨著不確定性的增加，人們開始更多地依賴他們的先驗。我們從心理學中瞭解到這一點：你帶那些第一次要跳飛機的人，給他們看雪景影像，並問他們看到了什麼。那裡什麼也沒有，但是人們會說，‘啊，我能看到一隻鹿。’ 隨著人們跳的次數越來越多，他們對鹿[或其他東西]的感知會降低。你對知覺的先驗會隨著你承受的壓力以及對未來的不確定性而變化。”
因此，羅絲實際上已經在認知上傾覆了。史蒂文的去世使得她對世界的模型不再適用於目的——而且，在孤獨的悲傷和壓力（以及缺乏藥物治療）中，她的大腦未能學習到“史蒂文之後”的世界模型。羅絲的大腦建立了一個模型，其中史蒂文在她生活中扮演著中心角色，並且由於她疾病的僵化，她無法放棄或重新學習那個關鍵部分。
當我看到羅絲在急診室時，她正在看到、聽到並對一個不存在的史蒂文做出情感反應。當時，我想測量她的妄想，但這就像在某人已經心臟病發作後檢查他們的膽固醇水平一樣。當羅絲到達急診室時，她已經患有精神病，正處於認知“心臟病發作”的陣痛中。
有用的方法是進行多次測量——類似於隨著時間的推移測量膽固醇水平和血壓——測量她的大腦如何與現實互動，測量當事件與她的期望相矛盾時她是否更新她的心理模型，以及當她的期望接近她產生知覺的臨界點時，就在幻覺出現之前。這些資料本可以避免危機，使我們能夠增加她的藥物劑量，足以抑制這些期望，使她能夠準確地感知——並重新連線——她的感覺。最後，兩週的藥物治療軟化了她的思想，使其能夠從周圍環境中學習。她再次足夠好，可以回家了。
當我現在想起她時，我想知道羅絲是否逐漸不再確定史蒂文的存在，或者是否像帷幕落下一樣，史蒂文突然從她的腦海中消失了。
我不確定哪一個更糟糕。