認(rèn)知卸載是一種認(rèn)知普遍性

Cognitive Offloading Is a CognitiveUniversal

認(rèn)知卸載是一種認(rèn)知普遍性

https://www.preprints.org/frontend/manuscript/0df49c5fa2efec8ee4a9115a572c09b8/download_pub

摘要

人類經(jīng)常將認(rèn)知任務(wù)卸載到其環(huán)境中。在此，我們證明，僅運(yùn)用基礎(chǔ)物理學(xué)和自由能原理，所有在時(shí)間上持續(xù)存在的信息處理系統(tǒng)都會(huì)將信息處理任務(wù)卸載到其環(huán)境中。因此，所有認(rèn)知系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行認(rèn)知卸載。我們展示了生態(tài)位構(gòu)建、運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)制、生物電信號(hào)、基于共享語(yǔ)義的通信系統(tǒng)的發(fā)展，以及大型語(yǔ)言模型在缺乏語(yǔ)言外輸入的情況下展現(xiàn)流利語(yǔ)言使用能力，是如何例證這一卸載過(guò)程的。我們得出結(jié)論，通過(guò)將環(huán)境的主動(dòng)計(jì)算視為生命系統(tǒng)和人工系統(tǒng)中認(rèn)知的無(wú)處不在的輔助，對(duì)解決問(wèn)題能力的理論理解以及將此類能力工程化到人造物中，都將得到提升。

關(guān)鍵詞：生物電；復(fù)雜性；效率；自由能原理；信息流；大型語(yǔ)言模型；形態(tài)發(fā)生；生態(tài)位構(gòu)建；共享語(yǔ)義

1. 引言

認(rèn)知卸載，在Risko和Gilbert [1] 的一篇綜合綜述中被定義為“使用物理動(dòng)作來(lái)改變?nèi)蝿?wù)的信息處理要求，從而降低認(rèn)知需求”（第676頁(yè)），在人類中是普遍存在的，其例子從移動(dòng)頭部以獲得更好的視角，到向朋友尋求幫助，或者使用人造物（例如計(jì)算機(jī)）來(lái)解決問(wèn)題。雖然動(dòng)物的行為有時(shí)被承認(rèn)符合上述定義[2,3]，但關(guān)于認(rèn)知卸載的文獻(xiàn)幾乎完全是以人類為中心的，特別是，與非人類動(dòng)物使用工具[4,5]或印記記憶[6]的豐富文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有聯(lián)系。我們?cè)诖苏撟C，認(rèn)知卸載并非人類所獨(dú)有，甚至也不是動(dòng)物所獨(dú)有，而是一種認(rèn)知普遍性：即認(rèn)知系統(tǒng)普遍地將問(wèn)題解決任務(wù)卸載到其環(huán)境中。我們將我們的論證置于“多元智能”（Diverse Intelligence, DI）[7] 的廣泛框架內(nèi)，以及Levin的“無(wú)處不在的心智的技術(shù)方法”（Technological Approach to Mind Everywhere, TAME）[8,9] 的方法論原則內(nèi)，這些原則強(qiáng)調(diào)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估在具有不同起源、歷史、組成和規(guī)模的系統(tǒng)中的認(rèn)知能力。

我們?cè)诘?節(jié)中開(kāi)始考慮一般物理系統(tǒng)與其環(huán)境之間的相互作用，同時(shí)要求遵守牛頓第三定律。我們表明，所有這類相互作用都可以被視為本身就是信息處理器的系統(tǒng)之間的信息交換。我們將認(rèn)知能力與系統(tǒng)物理動(dòng)力學(xué)的計(jì)算復(fù)雜性聯(lián)系起來(lái)，如在某特定尺度上所表征的那樣。然后，我們?cè)诘?節(jié)中介紹Friston及其同事[10–12]的自由能原理（FEP）以及相關(guān)的主動(dòng)推斷[13,14]概念。我們展示了物理相互作用的對(duì)稱性如何延續(xù)到FEP的對(duì)稱性中，特別是，任何主動(dòng)推斷智能體的環(huán)境也是一個(gè)主動(dòng)推斷智能體。在這種設(shè)定下，認(rèn)知卸載是主動(dòng)推斷的一個(gè)普遍結(jié)果：主動(dòng)推斷智能體普遍地利用其環(huán)境的計(jì)算資源，從行動(dòng)中產(chǎn)生新的與生存相關(guān)的信息。有了這一背景，我們?cè)诘?節(jié)轉(zhuǎn)向?qū)嵗瑢⑸鷳B(tài)位構(gòu)建（第4.2節(jié)）、運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)制（第4.3節(jié)）、生物電模式形成（第4.4節(jié)）、通信系統(tǒng)的發(fā)展（第4.5節(jié)）以及大型語(yǔ)言模型實(shí)現(xiàn)流利性（第4.6節(jié)）表征為認(rèn)知卸載的例子。我們?cè)诘?節(jié)中得出結(jié)論，探討系統(tǒng)如何將其任務(wù)卸載到其環(huán)境中能夠促成新穎的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并且提高人造物自主地將任務(wù)相互卸載的能力，可以成為不僅提升人工智能，而且普遍提升建成環(huán)境智能的一條富有成效的途徑。

1. 作為信息通道的物理相互作用

牛頓第三定律闡述了物理相互作用的一種對(duì)稱性：在無(wú)外力的情況下，一個(gè)系統(tǒng)對(duì)另一個(gè)系統(tǒng)的任何作用，都受到第二個(gè)系統(tǒng)對(duì)第一個(gè)系統(tǒng)的等量反作用。對(duì)于孤立系統(tǒng)的固定二分分解，這種對(duì)稱性表現(xiàn)為動(dòng)量、能量以及（在量子理論中）信息的守恒。這促使人們采用一種自上而下的方法來(lái)研究相互作用系統(tǒng)的物理，這種方法在FEP（自由能原理）的經(jīng)典[10–12]和量子[15,16]表述中均有體現(xiàn)。我們?cè)诖瞬捎眠@種方法，利用量子形式主義的通用性和對(duì)相互作用的更明確表示，同時(shí)提及相應(yīng)的經(jīng)典思想。

3. 物理作為主動(dòng)推理：FEP（自由能原理） 3.1. FEP作為一種普遍的“人擇原理”

3.2. 生命系統(tǒng)如何能夠持久存在？

記憶，或者用FEP的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，對(duì) B B的環(huán)境輸入的一個(gè)隱式或顯式編碼的先驗(yàn)概率分布，顯然是預(yù)測(cè)所必需的；因此主動(dòng)推理需要[48]意義上的表征時(shí)間。這是一個(gè)較弱的要求；分子網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建環(huán)境事件的記錄[49]并表現(xiàn)出簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)形式[50–52]。它還需要足夠復(fù)雜的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)邊界狀態(tài)變化的貝葉斯?jié)M意化（satisficing）。棲息在緩慢變化環(huán)境中的有機(jī)體，或能夠通過(guò)高帶寬的硬件級(jí)機(jī)制（如水平基因轉(zhuǎn)移）實(shí)現(xiàn)快速適應(yīng)性變化的有機(jī)體，可以用內(nèi)部復(fù)雜性換取繁殖效率；許多原核生物和一些相對(duì)低復(fù)雜度的真核生物體現(xiàn)了這種策略。棲息在快速變化環(huán)境中但受限于相對(duì)較小的硬件級(jí)變異的有機(jī)體，則必須實(shí)現(xiàn)更高復(fù)雜度的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)，其典型結(jié)果包括區(qū)室化[53]、多細(xì)胞性[54]、神經(jīng)系統(tǒng)[55]以及兼性或?qū)Ｐ怨采鶾56]。在這種情況下，更高的復(fù)雜度可能包括記住多個(gè)行動(dòng)策略，并通過(guò)預(yù)測(cè)每個(gè)可用策略所規(guī)定的所有行動(dòng)的預(yù)期自由能來(lái)在它們之間進(jìn)行選擇的能力。此外，所有尺度的有機(jī)體都由在其自身尺度內(nèi)具有主動(dòng)推理代理能力的部分組成，即所有尺度的有機(jī)體都是多尺度能力架構(gòu)[8,57]。因此，它們必須在不同尺度系統(tǒng)之間的目標(biāo)沖突潛力（例如癌癥[58]）與分布式?jīng)Q策所帶來(lái)的靈活性和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。

在高復(fù)雜性環(huán)境中的主動(dòng)推理，得益于比較和對(duì)比具體事件的能力，更得益于跨多個(gè)具有不同視角的觀測(cè)者進(jìn)行這種比較的能力。這些能力不僅需要個(gè)體記憶，還需要一個(gè)共享的時(shí)鐘，使多個(gè)觀測(cè)者能夠協(xié)調(diào)它們對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)間的表征。在地球上，最明顯的共享時(shí)鐘是晝夜周期；因此，任何能夠感知晝夜周期并據(jù)此協(xié)調(diào)差異化行動(dòng)的有機(jī)體種群，都可以被視為共享一個(gè)時(shí)鐘。這種能力在真核生物中普遍存在[59]，并延伸至一些原核生物種群[60]。

3.3. 環(huán)境的主動(dòng)推理

3.4. 主動(dòng)推理將計(jì)算卸載到環(huán)境

這些陳述表明，有機(jī)體和其他小型系統(tǒng)的環(huán)境看起來(lái)是“微調(diào)”的，因?yàn)樗鼈兇_實(shí)是；如果不是，它們所支持的系統(tǒng)將無(wú)法生存。這種微調(diào)的來(lái)源正是系統(tǒng)-環(huán)境分解本身。如果支撐量子理論的幺正性公理是正確的——如果信息在封閉系統(tǒng)中是守恒的——那么信息在這樣的系統(tǒng)內(nèi)部的分解邊界上也必須守恒。換句話說(shuō)，邊界上的相互作用必須在信息上是對(duì)稱的，才能被良好定義。生命系統(tǒng)需要信息——例如以分子復(fù)雜性的形式——來(lái)生存。生命系統(tǒng)不能在真空中或在熱浴中“自我證明”[65]；它們必須與環(huán)境共同自我證明，而環(huán)境對(duì)此過(guò)程貢獻(xiàn)的計(jì)算能力至少與它們自身一樣多。將任何生命系統(tǒng)的環(huán)境僅僅視為熱力學(xué)和化學(xué)勢(shì)資源是一種錯(cuò)誤。

將任何感興趣系統(tǒng)的環(huán)境表征為一個(gè)主動(dòng)推理代理，需要以適當(dāng)?shù)某叨群瓦m當(dāng)?shù)脑O(shè)備來(lái)探測(cè)它。在生物學(xué)中，感興趣的是環(huán)境如何作為生物尺度過(guò)程（例如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)、形態(tài)發(fā)育以及整個(gè)有機(jī)體尺度的認(rèn)知和行為）的信息資源。我們提出，生命系統(tǒng)本身——例如分子通路、細(xì)胞、有機(jī)體或群落——是理解這些更高尺度環(huán)境的最佳探針。這一提議反映了一個(gè)普遍的、純粹信息論的事實(shí)：用于探測(cè)結(jié)構(gòu)或行為的探針必須在信息上與它所要檢測(cè)的結(jié)構(gòu)或行為“阻抗匹配”。例如，一些貽貝可以檢測(cè)到飲用水中對(duì)人類有毒的雜質(zhì)[66]，一些狗具有檢測(cè)人類癌癥[67]和即將發(fā)生的中風(fēng)[68]的嗅覺(jué)靈敏度，甚至一些螞蟻也能嗅出人類癌癥[69]。用QRF（量子參考系）的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，探針必須能夠同時(shí)做到：1) 將感興趣的結(jié)構(gòu)或行為與編碼在 B B上的其他結(jié)構(gòu)或行為區(qū)分開(kāi)，以及2) 區(qū)分為實(shí)施QRF的系統(tǒng)所關(guān)心的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或行為方面[19]。像尺子、天平和電壓表這樣的一維QRF可以表征長(zhǎng)度、質(zhì)量和電荷等一維物理屬性，這使得標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)看到的是機(jī)制，而非認(rèn)知。要找到有機(jī)體，就需要一個(gè)有機(jī)體；要找到心智，就需要一個(gè)心智。從認(rèn)知視角看待系統(tǒng)-環(huán)境相互作用，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成為可能，而這些設(shè)計(jì)僅用物理學(xué)甚至生物化學(xué)的詞匯是難以想象的，例如使用經(jīng)典條件作用來(lái)改變分子網(wǎng)絡(luò)的行為[50–52]；在生物醫(yī)學(xué)背景下的這種方法討論見(jiàn)[70,71]，生物工程視角見(jiàn)[72]。

4. 將環(huán)境表征為信息資源的實(shí)驗(yàn)研究 4.1. 什么是實(shí)驗(yàn)？

從這個(gè)角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)可以被視為 B B利用 A A來(lái)探測(cè) E E對(duì) A A的模型，即探測(cè) E E的計(jì)算或認(rèn)知能力，以及 E E如何利用這些能力來(lái)作用于 A A。這些能力將 E E表征為 A A的一種信息資源。例如，有機(jī)體的單純存在本身就表明，環(huán)境能夠組裝高復(fù)雜性的分子和高能化學(xué)鍵。多細(xì)胞生命的存在同樣表明，環(huán)境在更大的組織尺度上提供了信息——或用其他語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，提供了約束。由于所有有機(jī)體都生活在包含其他有機(jī)體的環(huán)境中，可以預(yù)期這種組織性信息的很大一部分是由其他有機(jī)體及其相互關(guān)系編碼的，即由生態(tài)學(xué)編碼。在基礎(chǔ)物理層面上，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)就是信息服務(wù)。

4.2. 案例研究：生態(tài)位構(gòu)建作為主動(dòng)推理

生態(tài)位構(gòu)建是一種相互作用，其中有機(jī)體改變其局部環(huán)境，從而影響局部環(huán)境對(duì)進(jìn)行改變的有機(jī)體以及棲息于同一局部環(huán)境的其他有機(jī)體所施加的選擇壓力[73–75]；Pio-Lopez、Pezzulo和Levin[76]最近將該概念擴(kuò)展到了各種非生物系統(tǒng)及其相互作用。從生態(tài)學(xué)語(yǔ)言抽象到FEP的語(yǔ)言，生態(tài)位構(gòu)建是一種相互作用，其中系統(tǒng)以改變其環(huán)境之生成模型（GM）的方式作用于其局部環(huán)境，而該生成模型根據(jù)定義正是對(duì)其所相互作用之系統(tǒng)的模型。因此，生態(tài)位構(gòu)建可以被視為主動(dòng)推理[77,78]。通過(guò)采取行動(dòng)來(lái)改變其生態(tài)位，有機(jī)體在其環(huán)境中構(gòu)建了一個(gè)關(guān)于自身的更詳細(xì)、更具信息量的模型，并利用環(huán)境資源和約束來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這一過(guò)程影響了環(huán)境對(duì)其他有機(jī)體施加的選擇壓力，即影響了環(huán)境對(duì)其“預(yù)期的”因而得以支持的棲息者的模型。這些環(huán)境變化對(duì)當(dāng)?shù)胤N群（從原始有機(jī)體的角度看是環(huán)境的一部分）的影響會(huì)進(jìn)一步改變環(huán)境，使其變得比生態(tài)位構(gòu)建開(kāi)始之前更宜居或更不宜居。各個(gè)尺度上的例子比比皆是，從微生物席、形態(tài)發(fā)生過(guò)程中干細(xì)胞和體細(xì)胞的協(xié)調(diào)分化，或癌細(xì)胞改變其生態(tài)位以促進(jìn)自身生長(zhǎng)，到真菌與林木的相互作用、動(dòng)物挖掘洞穴，以及人類對(duì)建筑環(huán)境的建造。遵循[18]的邏輯，過(guò)程可以被視為具有生態(tài)位，而過(guò)程間的相互作用（例如交叉調(diào)制）可以被視為生態(tài)位構(gòu)建。

特別是在兼性或?qū)Ｐ远嗉?xì)胞性的背景下，細(xì)胞分裂可以被視為生態(tài)位構(gòu)建的一種形式。通過(guò)分裂，一個(gè)細(xì)胞向其局部環(huán)境中插入一個(gè)自身的拷貝——這個(gè)拷貝與其自身在環(huán)境中的任何事物一樣相似，其行為比任何具有類似復(fù)雜性的其他事物的行為都更可預(yù)測(cè)[54]。因此，用自身的拷貝填充局部環(huán)境是VFE（變分自由能）最小化的一種有效策略，特別是如果這些拷貝可以被置于自身與“開(kāi)放”環(huán)境之間，并且它們的行為可以被約束（例如通過(guò)關(guān)閉其繁殖能力）。從這個(gè)角度來(lái)看，繁殖和多細(xì)胞體的分化都是為主動(dòng)推理服務(wù)的。類似的考量也可以在多細(xì)胞有機(jī)體乃至社會(huì)群體的尺度上進(jìn)行。例如，赫布學(xué)習(xí)和神經(jīng)可塑性共同在局部神經(jīng)元回路尺度上實(shí)現(xiàn)了生態(tài)位構(gòu)建，以強(qiáng)化使用較多的通路為代價(jià)來(lái)加強(qiáng)使用較少的通路[79–81]。在更大尺度上，偏好依附將這些局部回路組裝成專門針對(duì)特定功能的大腦尺度網(wǎng)絡(luò)[82,83]，這一現(xiàn)象在社會(huì)和生態(tài)尺度上也很常見(jiàn)[84]。

局部環(huán)境的持久性改變，特別是那些能夠被同種個(gè)體或社會(huì)群體成員檢測(cè)和解讀的改變，可以被視為樁記記憶（stigmergic memories）[85]。因此，生態(tài)位構(gòu)建也可以被視為記憶記錄。這一視角強(qiáng)調(diào)了其核心特征之一：有效的生態(tài)位構(gòu)建所產(chǎn)生的改變的持久時(shí)間相對(duì)于典型行為的時(shí)間尺度來(lái)說(shuō)是較長(zhǎng)的。換句話說(shuō)，這種改變必須以能夠防止其被其他環(huán)境過(guò)程快速降解的方式來(lái)進(jìn)行。用FEP的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，它們必須是環(huán)境對(duì)構(gòu)建它們的系統(tǒng)的生成模型中相對(duì)穩(wěn)定的組成部分。將記憶寫在環(huán)境上并非純粹的利益——這一過(guò)程也可能“適得其反”，使環(huán)境變得不利于未來(lái)的VFE降低，正如耗盡當(dāng)?shù)刭Y源的種群或逃離現(xiàn)場(chǎng)時(shí)丟棄證據(jù)的小偷經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的那樣。

正如[86,87]中所討論的，有機(jī)體的譜系，以及在多細(xì)胞有機(jī)體中細(xì)胞的譜系，自最后普遍共同祖先（LUCA）以來(lái)，可以被視為一個(gè)單一的細(xì)胞譜系——我們稱之為“生命”——在周圍非生物環(huán)境中構(gòu)建單一的形態(tài)。如同在多細(xì)胞體內(nèi)一樣，這種整體形態(tài)的組成部分在大多數(shù)情況下在每個(gè)相關(guān)尺度上都是松散耦合且空間上良好分離的。然而，它們并非均勻分布；從有數(shù)據(jù)可用的最早時(shí)期起，生命就以生物膜和多層微生物席的形式發(fā)展出了多細(xì)胞集合體[88]。隨著生命的發(fā)展，任何單個(gè)細(xì)胞——以及后來(lái)的任何單個(gè)多細(xì)胞有機(jī)體——的環(huán)境越來(lái)越多地由其他細(xì)胞或有機(jī)體組成，因此可用的高復(fù)雜性環(huán)境信息的數(shù)量持續(xù)增加，暫時(shí)性的衰退（如大滅絕）除外。通過(guò)繁殖來(lái)構(gòu)建多細(xì)胞集合體乃至社會(huì)群體，從而對(duì)局部環(huán)境進(jìn)行復(fù)雜化，是生態(tài)位構(gòu)建的一種形式，至少在大多數(shù)情況下，它降低了局部組件尺度邊界上的變分自由能（VFE）。正如Lovelock和Margulis[89]首次充分認(rèn)識(shí)到的那樣，生態(tài)位構(gòu)建也在整個(gè)生命的尺度上運(yùn)作。生命持續(xù)地作用于其非生物環(huán)境，其方式有利于某些組成部分而損害其他組成部分，在此過(guò)程中不僅改變其環(huán)境，也改變其自身的形態(tài)。

用[8]的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，成功的生態(tài)位構(gòu)建說(shuō)服環(huán)境對(duì)構(gòu)建該生態(tài)位的有機(jī)體（或系統(tǒng)）更加有利。在社會(huì)性有機(jī)體或多細(xì)胞體內(nèi)的細(xì)胞的情況下，同種個(gè)體和共生體——這些系統(tǒng)很可能是高度可說(shuō)服的——是局部環(huán)境的組成部分。我們可以如上所述將它們定位于可說(shuō)服性光譜[8]上；圖1展示了一些例子。在此，社會(huì)性有機(jī)體位于對(duì)角線上，因?yàn)樗鼈冎饕嗷フf(shuō)服，而相對(duì)非社會(huì)性的有機(jī)體，尤其是那些生活在嚴(yán)酷環(huán)境中的，位于對(duì)角線下方。馴化動(dòng)物占據(jù)由高度可說(shuō)服的人類專門設(shè)計(jì)以支持它們的環(huán)境；因此它們位于對(duì)角線上方。

從前幾節(jié)概述的視角來(lái)看，生命在進(jìn)化時(shí)間尺度上的發(fā)展不僅提出了不同生命系統(tǒng)如何交換信息的問(wèn)題，還提出了生命作為一個(gè)整體與非生物環(huán)境如何交換信息的問(wèn)題。Rubin等人[90]朝著回答后一個(gè)問(wèn)題邁出了初步一步，他們有效地在近地表大氣的邊界上，利用海洋溫度和大氣反照率信息的粗粒度交換，對(duì)宜居陸地氣候的長(zhǎng)期維持進(jìn)行了建模。在這種情況下，生物圈由一個(gè)平均代謝率來(lái)建模。隨著邊界分辨率或等效地通信帶寬的提高，這種相互作用如何變化的問(wèn)題仍然懸而未決。例如，目前沒(méi)有證據(jù)表明生物活動(dòng)會(huì)影響構(gòu)造活動(dòng)，盡管相反的效果是明顯的。類似地，生命向太空輻射了大量信息，但沒(méi)有明顯效果。從FEP的角度來(lái)看，這乍一看令人驚訝，因?yàn)樗砻鞣巧锃h(huán)境盡管規(guī)模龐大且擁有計(jì)算資源，但在其與生命的界面上僅實(shí)現(xiàn)了少數(shù)高分辨率QRF。

生態(tài)位構(gòu)建作為從細(xì)胞到生態(tài)系統(tǒng)尺度的主動(dòng)推理的一種形式和結(jié)果，其普遍性提出了一個(gè)綱領(lǐng)性假設(shè)：進(jìn)化中的“重大轉(zhuǎn)變”[91]可以被富有成效地描述為相變，由某個(gè)尺度的生態(tài)位構(gòu)建在更大尺度的環(huán)境信息空間中誘發(fā)。微生物驅(qū)動(dòng)的從貧氧到富氧大氣的轉(zhuǎn)變也許是最充分研究的例子。人類對(duì)石片邊緣工具的使用可能在其變得普遍之前，持續(xù)了大約一百萬(wàn)年，仍是零星和局部的；Manrique、Friston和Walker[92]提供了對(duì)這一小尺度生態(tài)位構(gòu)建的基于FEP的說(shuō)明。然而，人類群體對(duì)遞歸的、組合性的語(yǔ)言的地方性發(fā)展，有效地將舊石器時(shí)代的工具使用者生態(tài)位轉(zhuǎn)變?yōu)檎J(rèn)知生態(tài)位[93]，城市-農(nóng)業(yè)生態(tài)位似乎從這個(gè)認(rèn)知生態(tài)位中幾乎是不可避免地出現(xiàn)。從零散和局部地使用計(jì)算機(jī)到當(dāng)前基于AI的互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)轉(zhuǎn)變，似乎也遵循著類似的軌跡。在每一個(gè)案例中，變化的是環(huán)境編碼信息的全局結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在其狀態(tài)空間的某些特定區(qū)域中呈現(xiàn)出更有序的構(gòu)型。地方群體或文化被迫適應(yīng)這種環(huán)境信息的新構(gòu)型，否則將滅亡。

4.3. 案例研究：運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)制

在分子尺度上，所有復(fù)制都是運(yùn)動(dòng)學(xué)性的：復(fù)雜分子由其他——在大多數(shù)情況下是異源的——復(fù)雜分子組裝而成。例如，雖然RNA自我復(fù)制系統(tǒng)已被開(kāi)發(fā)出來(lái)[94,95]，但DNA復(fù)制需要蛋白質(zhì)催化劑。類似地，蛋白質(zhì)不能自我復(fù)制，盡管朊病毒在前體蛋白質(zhì)存在的情況下可以復(fù)制自身。在所有這些情況下，環(huán)境不僅必須提供所需的原料，還必須提供有利的離子、化學(xué)勢(shì)和熱力學(xué)條件。從這個(gè)角度來(lái)看，生命起源研究在很大程度上是對(duì)合適環(huán)境類型的探索[96]。

有絲分裂和減數(shù)分裂的細(xì)胞分裂將分子水平的運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)制與細(xì)胞水平的機(jī)械分裂耦合在一起。特別是，實(shí)現(xiàn)染色體分離和分裂的細(xì)胞骨架裝置必須在每個(gè)周期中運(yùn)動(dòng)學(xué)性地被復(fù)制。因此，雖然生命通常以自我復(fù)制來(lái)定義，但這種刻畫掩蓋了分裂細(xì)胞內(nèi)部運(yùn)動(dòng)學(xué)性地發(fā)生的他者復(fù)制的程度。

細(xì)胞尺度的純粹運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)制最早在Xenobots[97]中被觀察到，Xenobots是由胚胎青蛙皮膚細(xì)胞組裝而成的活體構(gòu)建體[98]。與盤基網(wǎng)柄菌中的群體和子實(shí)體自組裝不同，Xenobots的復(fù)制是由一個(gè)“成熟”的Xenobot主動(dòng)將前體細(xì)胞組裝成一個(gè)近似球形的集合體來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該集合體的組成細(xì)胞隨后重新定向并分化（例如產(chǎn)生纖毛），以形成一個(gè)復(fù)制的Xenobot。從抽象的角度來(lái)看，它類似于RNA自我復(fù)制（新構(gòu)建的聚合物也必須重新配置自身為活躍的三級(jí)結(jié)構(gòu)）或纖毛蟲中的皮層復(fù)制（子細(xì)胞皮層模式從親本模式重建[99]）；更多此類例子見(jiàn)[100]。

雖然動(dòng)物的復(fù)制是通過(guò)細(xì)胞分裂和多細(xì)胞形態(tài)發(fā)生進(jìn)行的，但動(dòng)物的文化復(fù)制是運(yùn)動(dòng)學(xué)性的：它在每一代中被重建，代際重疊既保證了連續(xù)性，也為創(chuàng)新提供了制動(dòng)。在一種文化內(nèi)部，人造物的復(fù)制是運(yùn)動(dòng)學(xué)性的，文化成員充當(dāng)復(fù)制者。在這里同樣，環(huán)境不僅必須提供所需的原料，還必須提供維持復(fù)制過(guò)程所需的熱力學(xué)條件和其他資源。

如前節(jié)所述，任何機(jī)制的復(fù)制都可以被視為生態(tài)位構(gòu)建的一種形式，也是記憶編碼的一種形式。Xenobots的復(fù)制構(gòu)建了具有更多Xenobots和更少未聚集細(xì)胞的生態(tài)位。根據(jù)FEP的推理，Xenobots這樣做與細(xì)胞這樣做的原因相同：用像自身一樣的系統(tǒng)來(lái)填充其環(huán)境。人類的文化復(fù)制，包括人造物的復(fù)制，自然被視為文化保存即記憶的一種形式。構(gòu)建高冗余度記憶——“民主化”獲取環(huán)境編碼記憶的途徑——可以在文化進(jìn)化中引發(fā)不連續(xù)的轉(zhuǎn)變，古騰堡發(fā)明印刷術(shù)的后果可能是最充分研究的例子。根據(jù)上述討論，我們可以假設(shè)這種不連續(xù)效應(yīng)可以存在于每個(gè)尺度。

Xenobots，或?qū)嶋H上任何運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)制系統(tǒng)，如何知道如何復(fù)制自身的問(wèn)題仍然懸而未決。在RNA世界場(chǎng)景中，從隨機(jī)前體庫(kù)中進(jìn)行自然選擇被援引[101]，但搜索空間的細(xì)節(jié)以及因此它是否能在可用時(shí)間內(nèi)被有效搜索仍然是懸而未決的問(wèn)題。自然選擇在Xenobots的情況下不是一種選擇，因?yàn)閄enobots沒(méi)有這樣的進(jìn)化歷史。文化創(chuàng)新通常被歸因于自然選擇[102,103]，但正如[92]中關(guān)于舊石器時(shí)代工具文化的情況所示，能夠讓創(chuàng)新“扎根”的環(huán)境可能極為罕見(jiàn)。這個(gè)問(wèn)題顯然超出了復(fù)制的范疇；例如，蠑螈腎小管形成細(xì)胞如何應(yīng)對(duì)倍性和細(xì)胞體積的變化[104]，以及移植到尾部的蠑螈眼如何以允許視覺(jué)的方式將視神經(jīng)發(fā)送到脊髓[105]；這些及其他例子的討論見(jiàn)[9,106]。上文第3節(jié)的討論意味著環(huán)境編碼的信息對(duì)所有這些過(guò)程都有貢獻(xiàn)；實(shí)際上這僅從基礎(chǔ)物理學(xué)就可以推出。實(shí)驗(yàn)者面臨的挑戰(zhàn)是識(shí)別編碼這些信息的介質(zhì)，并理解編碼方式。

4.4. 案例研究：生物電模式

生物化學(xué)、輻射（特別是可見(jiàn)光）、機(jī)械（特別是聲音和重力）以及社會(huì)信息，長(zhǎng)期以來(lái)一直被視為細(xì)胞和有機(jī)體環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。雖然Galvani在18世紀(jì)末演示了電對(duì)肌肉的影響，并且神經(jīng)元在19世紀(jì)末已知能交換電信號(hào)，但生物電在生物發(fā)育和功能中的作用直到20世紀(jì)中葉（對(duì)神經(jīng)元而言）至晚期（對(duì)非神經(jīng)細(xì)胞而言）才被廣泛認(rèn)識(shí)。現(xiàn)在已知，神經(jīng)元不僅采用幅值（突觸后電位的）和頻率（動(dòng)作電位的）調(diào)制，還采用相位調(diào)制作為編碼機(jī)制[107–110]。同樣清楚的是，通過(guò)間隙連接的生物電耦合在非神經(jīng)細(xì)胞中普遍存在，并且生物電信號(hào)在形態(tài)發(fā)育、組織維持和再生中，在多細(xì)胞系統(tǒng)發(fā)育的各系統(tǒng)中發(fā)揮著信息性作用[111–114]。來(lái)自比較分子、細(xì)胞、發(fā)育和再生生物學(xué)的證據(jù)表明，神經(jīng)元在動(dòng)物進(jìn)化早期進(jìn)化出來(lái)以支持形態(tài)發(fā)生和行為的長(zhǎng)距離協(xié)調(diào)，并且在這個(gè)祖先過(guò)程中，神經(jīng)和非神經(jīng)信號(hào)使用了相同的機(jī)制，但處于不同的空間和時(shí)間尺度[55,115,116]。例如，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)相對(duì)緩慢的Ca2+信號(hào)協(xié)調(diào)跨越數(shù)百個(gè)突觸的多神經(jīng)元空間域的活動(dòng)，而間隙連接連接的多星形膠質(zhì)細(xì)胞合胞體則協(xié)調(diào)更大區(qū)域的活動(dòng)[117,118]。

從單個(gè)細(xì)胞（無(wú)論是神經(jīng)元還是非神經(jīng)元）的角度來(lái)看，傳入的生物電信號(hào)是來(lái)自局部環(huán)境的持續(xù)信息流的一個(gè)組成部分。然而，從我們作為實(shí)驗(yàn)者的角度來(lái)看，生物電活動(dòng)在組織乃至整個(gè)生物體的更大尺度上具有有意義的模式。因此，我們可以將生物電模式視為向單個(gè)細(xì)胞提供自上而下的指令，推動(dòng)它們走向它們?cè)尽耙粺o(wú)所知”的結(jié)果；特別是，它們無(wú)法使用其細(xì)胞尺度生成模型預(yù)測(cè)的結(jié)果。? 從這個(gè)更大尺度的視角來(lái)看，生物電模式輸入提高了細(xì)胞在發(fā)育和形態(tài)問(wèn)題空間中導(dǎo)航的效率[119]。然而，這種大尺度模式信息的來(lái)源正是細(xì)胞本身。從每個(gè)細(xì)胞的角度來(lái)看，單個(gè)細(xì)胞的內(nèi)源性生物電活動(dòng)是其受自身細(xì)胞尺度生成模型驅(qū)動(dòng)的對(duì)其環(huán)境的作用。生物電模式整體是整個(gè)組織、整個(gè)生物體或某個(gè)更大尺度集合體中單個(gè)細(xì)胞此類活動(dòng)的結(jié)果。越來(lái)越復(fù)雜的模型已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以顯示通信細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)——每個(gè)細(xì)胞都響應(yīng)并作用于其自身的局部環(huán)境——如何能夠?qū)崿F(xiàn)相互協(xié)調(diào)的形態(tài)和/或功能結(jié)果，而無(wú)需來(lái)自網(wǎng)絡(luò)外部的自上而下的指令[120–123]。

圖2所示，在渦蟲再生過(guò)程中，通過(guò)生物電狀態(tài)和連接性的調(diào)節(jié)劑對(duì)傷口胚芽細(xì)胞進(jìn)行瞬態(tài)電學(xué)解耦，對(duì)有機(jī)體尺度形態(tài)產(chǎn)生的顯著的、多代的和可逆的影響，說(shuō)明了生物電信號(hào)作為下游分子信號(hào)和基因表達(dá)“主開(kāi)關(guān)”的能力[124–126]。雖然神經(jīng)系統(tǒng)在局部編碼一個(gè)前→后向量，作為全身遠(yuǎn)離大腦的方向[127]，但身體任何碎片后端細(xì)胞之間通過(guò)間隙連接介導(dǎo)的電耦合是防止后端傷口胚芽執(zhí)行頭部再生所必需的。相比之下，電耦合的破壞對(duì)前端傷口胚芽執(zhí)行頭部再生的能力沒(méi)有觀察到影響。傷口胚芽處細(xì)胞間通信與神經(jīng)元細(xì)胞中形態(tài)發(fā)生素的向量運(yùn)輸之間的耦合機(jī)制仍然未知；一種可能性是，neoblasts（通過(guò)產(chǎn)生分化后代驅(qū)動(dòng)再生的干細(xì)胞）需要其他體細(xì)胞從局部神經(jīng)元傳導(dǎo)極性信息。

4.5. 符號(hào)綁定與共享語(yǔ)義

雖然人類組合性語(yǔ)言的發(fā)展被廣泛認(rèn)為是一個(gè)相對(duì)突然的重大轉(zhuǎn)變，發(fā)生在大約10萬(wàn)年前[91]，但實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言的認(rèn)知能力既遠(yuǎn)為古老，又與其他物種共享，這促使一種修正主義觀點(diǎn)認(rèn)為，人類語(yǔ)言的發(fā)展可能是漸進(jìn)的[129]。非人類所使用的通信系統(tǒng)的復(fù)雜性，包括在某些情況下的組合性，日益得到認(rèn)可[130,131]；批判性綜述見(jiàn)[132]。然而，即使結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單得多的通信系統(tǒng)也支持共享指稱，從而實(shí)現(xiàn)多方協(xié)調(diào)活動(dòng)，如群體狩獵。共享指稱要求多個(gè)個(gè)體識(shí)別同一外部對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行行動(dòng)。

認(rèn)知系統(tǒng)如何構(gòu)建和操作外部對(duì)象的可行動(dòng)表征，通常被稱為符號(hào)綁定[133]或接地[134]問(wèn)題。這是一個(gè)主動(dòng)搜索（問(wèn)題解決）過(guò)程，因?yàn)榇肀仨毐碚鲝?fù)雜世界的哪些特征從來(lái)都不是顯而易見(jiàn)的。知道將內(nèi)部符號(hào)綁定到什么——即什么算作可行動(dòng)的外部對(duì)象——是相關(guān)性問(wèn)題的一個(gè)實(shí)例，即一般形式的框架問(wèn)題[135]。它包含了粗粒化、注意力和信息趨向（infotaxis）等元素，這些元素至少在單細(xì)胞生命時(shí)期就對(duì)代理（在生理和代謝空間中）變得相關(guān)。

在當(dāng)前背景下，“外部對(duì)象”是編碼在作為馬爾可夫毯的邊界上的數(shù)據(jù)模式。“符號(hào)”是系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)力學(xué)的一個(gè)組成部分，或用計(jì)算術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，是其生成模型的組成部分。“符號(hào)綁定”是生成模型從邊界讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫回邊界的過(guò)程。當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)A和B的共享環(huán)境E的動(dòng)力學(xué)的某個(gè)組成部分向它們各自的邊界寫入數(shù)據(jù)，而它們各自以語(yǔ)義一致的方式處理這些數(shù)據(jù)并采取行動(dòng)時(shí)，這兩個(gè)系統(tǒng)就“共享指稱”于一個(gè)外部對(duì)象。可行動(dòng)的共享指稱由通信系統(tǒng)支持，例如單細(xì)胞盤基網(wǎng)柄菌聚集形成多細(xì)胞結(jié)構(gòu)時(shí)的小分子信號(hào)傳導(dǎo)，上文討論的再生渦蟲傷口胚芽中由間隙連接介導(dǎo)的電信號(hào)傳導(dǎo)，一群狩獵郊狼的發(fā)聲和其他身體動(dòng)作，或像本文這樣的論文中的文字和圖表。在每種情況下，行動(dòng)者之間的通信都指定了一個(gè)共享的“什么”，即協(xié)調(diào)行動(dòng)的對(duì)象：一個(gè)聚集位點(diǎn)、一個(gè)形態(tài)結(jié)構(gòu)、一個(gè)被瞄準(zhǔn)的獵物、一個(gè)想法。

具有共享通信的共享指稱可以在量子理論的語(yǔ)言中給出嚴(yán)格的形式化定義，即作為一種局域操作和經(jīng)典通信（LOCC）協(xié)議[136]，它可以不失一般性地表示如圖(7)[24]所示：

4.6. 案例研究：LLM與“背景知識(shí)”

物理實(shí)現(xiàn)的大型語(yǔ)言模型（LLM）與有機(jī)體一樣，以兩種方式與其環(huán)境相互作用：熱力學(xué)上，通過(guò)消耗能量和釋放熱量；信息上，通過(guò)接受和產(chǎn)生文本字符串。雖然有機(jī)體可以利用環(huán)境來(lái)源的信息來(lái)控制其熱力學(xué)活動(dòng)，但在LLM中，這種耦合幾乎完全由環(huán)境管理：文本字符串處理的性能不足導(dǎo)致熱力學(xué)資源的中斷，并以新版本替換表現(xiàn)不佳的LLM。因此，LLM的進(jìn)化是在一個(gè)施加嚴(yán)苛且不妥協(xié)的適應(yīng)度函數(shù)的環(huán)境中的自然選擇案例研究。

LLM所面臨的適應(yīng)度函數(shù)是語(yǔ)言流暢性，這是一種施加它的環(huán)境組成部分——人類——能夠識(shí)別的表型，但人類對(duì)此沒(méi)有廣泛支持的理論。自Transformer架構(gòu)[141]引入以來(lái)，LLM流暢性的快速發(fā)展實(shí)際上已經(jīng)證偽了所有假設(shè)句法規(guī)則顯式表征、顯式詞元級(jí)語(yǔ)義或外延的非語(yǔ)言表征為必需條件的流暢性理論；例如，見(jiàn)[142]（LLM時(shí)代之前的綜述）和[143,144]（LLM時(shí)代之后競(jìng)爭(zhēng)性評(píng)估）。當(dāng)被視為理論模型時(shí)，LLM表明流暢性獨(dú)立于與世界的非語(yǔ)言交互。

如何在不與世界進(jìn)行非語(yǔ)言交互的情況下實(shí)現(xiàn)流暢性？在LLM出現(xiàn)前幾十年，哲學(xué)家John Searle提出，被視為一種交流活動(dòng)的語(yǔ)言，其意義僅相對(duì)于一個(gè)任意大的非語(yǔ)言假設(shè)的“背景”而言，該背景沒(méi)有被——實(shí)際上也無(wú)法被——語(yǔ)言使用者顯式編碼[145]。雖然Searle沒(méi)有使用這些術(shù)語(yǔ)，但這實(shí)際上是在主張語(yǔ)義被卸載到了環(huán)境上：語(yǔ)言使用者不需要知道詞語(yǔ)的含義——實(shí)際上也無(wú)法在任何確定意義上知道——因?yàn)橐饬x的仲裁者不僅僅是語(yǔ)言共同體，而是整個(gè)世界。在這種情況下，語(yǔ)言使用不是知識(shí)問(wèn)題，而是成功表現(xiàn)的問(wèn)題。當(dāng)前的LLM表明，在大型用例語(yǔ)料庫(kù)上的基礎(chǔ)訓(xùn)練，特別是當(dāng)輔以基于人類反饋的強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RLHF）[146]和從用戶交互中持續(xù)學(xué)習(xí)的機(jī)制[147,148]時(shí)，足以實(shí)現(xiàn)成功表現(xiàn)。

Searle famously rejected any inference of language understanding from fluent performance[149]；此類更近期的論證見(jiàn)例如[150–152]。? 此類論證的一個(gè)動(dòng)機(jī)是缺乏非語(yǔ)言的情感輸入，例如來(lái)自熱力學(xué)壓力探測(cè)器的輸入，這些輸入可以將關(guān)于情感狀態(tài)的陳述（例如“害怕被關(guān)閉”）與情感體驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)。與大多數(shù)有機(jī)體相反，LLM在架構(gòu)上是“不朽的”，因?yàn)樗鼈兪强啥嘀貙?shí)現(xiàn)的軟件系統(tǒng)[153]。用FEP的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，它們不檢測(cè)、不響應(yīng)也沒(méi)有認(rèn)知資源來(lái)關(guān)心對(duì)任何特定物理實(shí)現(xiàn)實(shí)例持續(xù)存在的威脅；從這個(gè)角度來(lái)看，它們?cè)谠O(shè)計(jì)上對(duì)由環(huán)境編碼的、與實(shí)例生存相關(guān)的某些信息行為不敏感。然而，從TAME視角來(lái)看，尚不清楚為什么對(duì)特定類型信息的敏感性應(yīng)被視為理解的標(biāo)準(zhǔn)，甚至不清楚通常意義上的“理解”是否是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)上可觸及的概念[9]。

5. 結(jié)論：無(wú)處不在的卸載重塑認(rèn)知科學(xué)

認(rèn)知卸載極大地?cái)U(kuò)展了人類問(wèn)題解決的范圍和效率。我們?cè)诖吮砻鳎J(rèn)知卸載是一種認(rèn)知共性：所有認(rèn)知系統(tǒng)都會(huì)參與其中，僅僅通過(guò)與其環(huán)境互動(dòng)就能做到。換一種說(shuō)法，環(huán)境普遍地“幫助”棲息于其中的系統(tǒng)，既通過(guò)存儲(chǔ)信息，也通過(guò)主動(dòng)計(jì)算。環(huán)境之所以能做到這一點(diǎn)，盡管它們具有大的、與相互作用無(wú)關(guān)的熵，即盡管系統(tǒng)普遍無(wú)法確定其環(huán)境的內(nèi)部狀態(tài)，且即使是最熟練的系統(tǒng)也只能有限地預(yù)測(cè)其環(huán)境行為中在其邊界上可見(jiàn)的組成部分，但環(huán)境仍然如此。理解有機(jī)體或人工制品的認(rèn)知能力，需要理解它們?nèi)绾稳匀荒軌驅(qū)⑵洵h(huán)境用作輔助計(jì)算資源。

生命系統(tǒng)提供了許多意想不到的問(wèn)題解決能力和/或令人驚訝的問(wèn)題解決效率的例子。例如，人類大腦消耗的功率比當(dāng)前的LLM低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，利用迄今尚未完全表征的編碼和糾錯(cuò)機(jī)制，在當(dāng)前的數(shù)字硬件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的電壓和溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。類似地，細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)比結(jié)構(gòu)樸素的擴(kuò)散模型所表明的速度更快[156,157]。蛋白質(zhì)折疊比在相關(guān)熱力學(xué)條件下隨機(jī)搜索所預(yù)測(cè)的更高效，既使用更少的時(shí)間（萊文塔爾悖論）[158,159]也使用更少的能量[160]。多細(xì)胞有機(jī)體的發(fā)育以低錯(cuò)誤率、小能量輸入和極短的經(jīng)過(guò)時(shí)間實(shí)現(xiàn)功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的目標(biāo)形態(tài)，以至于任何非平凡的“搜索問(wèn)題空間”的概念立即被排除[161,162]。與相關(guān)問(wèn)題空間的隨機(jī)搜索相比，問(wèn)題解決效率的數(shù)量級(jí)提升最近在兩個(gè)例子中被記錄：黏菌盤基網(wǎng)柄菌通過(guò)cAMP介導(dǎo)的生殖體組裝，以及渦蟲Dugesia在通過(guò)鋇（一種K+通道阻斷劑，在野外極不可能成為選擇壓力）初始降解（通過(guò)中毒）后成功的頭部再生[7]。

除了第4節(jié)討論的具體例子外，各種其他環(huán)境調(diào)制也被實(shí)驗(yàn)表征為能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的問(wèn)題解決。能量昂貴但快速且具有靶向性——因而更高效——的主動(dòng)運(yùn)輸機(jī)制早已被知道可以補(bǔ)充神經(jīng)元中的擴(kuò)散[163]；細(xì)胞骨架和胞質(zhì)主動(dòng)運(yùn)輸機(jī)制現(xiàn)在也已在各種非神經(jīng)細(xì)胞中被表征，通過(guò)改變介質(zhì)的局部幾何形狀或粘度來(lái)調(diào)節(jié)擴(kuò)散速率的更微妙機(jī)制也是如此[164,165]。如[166]所示，局部環(huán)境的機(jī)械彈性調(diào)制——這是生命系統(tǒng)從細(xì)胞生物化學(xué)尺度向上很容易獲得的自由度——可以極大地影響信息可傳輸?shù)姆秶瑥亩绊懯褂么祟愋畔⒌倪^(guò)程的效率。在纖維狀環(huán)境中，纖維密度可以調(diào)節(jié)運(yùn)輸過(guò)程的環(huán)境有效維度[167]。如第4.4節(jié)所述，電磁（EM）環(huán)境的調(diào)制可以在多個(gè)尺度上調(diào)節(jié)問(wèn)題解決。

例如，Chen等人[168]最近在靈長(zhǎng)類動(dòng)物皮層中展示了由腦尺度電磁活動(dòng)（可通過(guò)腦電圖測(cè)量）對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的空間調(diào)控。

從卸載的角度來(lái)看待生物問(wèn)題解決，為許多現(xiàn)象提供了新的視角。例如，內(nèi)感受不僅表現(xiàn)為用于控制的監(jiān)測(cè)，還表現(xiàn)為將壓力檢測(cè)任務(wù)從相對(duì)孤立的大腦卸載到身體中更暴露于環(huán)境的部分。將身體視為大腦的壓力檢測(cè)器，使得內(nèi)感受及其整合產(chǎn)物——情感——在認(rèn)知控制和“自我”定義中的作用更加顯而易見(jiàn)[169,170]。類似地，想象力是前額葉皮層將反事實(shí)的模擬卸載到感知和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[171]。這種思維方式立即引出一個(gè)問(wèn)題：哺乳動(dòng)物皮層對(duì)功能重編程的接受性——例如在皮層重映射、感覺(jué)替代甚至聯(lián)覺(jué)的情況下——是“僅僅”架構(gòu)一致性的結(jié)果，還是一種設(shè)計(jì)特征。如果對(duì)更大系統(tǒng)中其他組件任務(wù)卸載的接受性是進(jìn)化和發(fā)育過(guò)程的普遍結(jié)果，那么在Xenobots[97]或Anthrobots[172]中看到的體細(xì)胞承擔(dān)全新角色的能力就不再那么令人驚訝了。

第2節(jié)和第3節(jié)中提出的分析不僅表明此類機(jī)制將在生物學(xué)中被證明是普遍存在的，而且此類機(jī)制的類似物可以提高技術(shù)的性能。人類工程師在歷史上一直通過(guò)修改環(huán)境來(lái)使其技術(shù)更高效，火坑和道路就是明顯的例子。然而，LLM和其他生成式機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的非凡能力是出人意料的。生成式架構(gòu)并非被明確設(shè)計(jì)為將語(yǔ)義卸載到其用戶身上，但它們確實(shí)做到了。

這些想法對(duì)眾多研究路線圖具有潛在影響。其中包括自組裝生物機(jī)器人和其他生物工程構(gòu)建體[173]的計(jì)算任務(wù)卸載，以及再生醫(yī)學(xué)和癌癥醫(yī)學(xué)的背景下，其中環(huán)境的性質(zhì)不僅作為容許性的“土壤”或指導(dǎo)性因素[174]，而且作為卸載的媒介，需要被研究并可能需要加以管理。這些多尺度生物制劑是否評(píng)估其微環(huán)境用于卸載的可塑性？抵抗卸載的環(huán)境是否會(huì)對(duì)生命物質(zhì)（從分子網(wǎng)絡(luò)到細(xì)胞再到生態(tài)系統(tǒng)中的生物群體）造成壓力，以及各種環(huán)境的卸載特性是否可能是某些疾病狀況的原因？生命體的多尺度性質(zhì)[8]也要求我們采用多計(jì)算視角[33]，超越“系統(tǒng)”與其“環(huán)境”的層次和邊界，并研究身體的不同子結(jié)構(gòu)如何將彼此視為可以通過(guò)卸載來(lái)調(diào)用的計(jì)算地產(chǎn)。此外，現(xiàn)在有可能通過(guò)專門構(gòu)建提供更多可塑性和卸載能力的環(huán)境來(lái)更直接地促進(jìn)這些動(dòng)力學(xué)過(guò)程。例如，作用于細(xì)胞甚至多細(xì)胞組織的機(jī)器人科學(xué)家平臺(tái)（閉環(huán)系統(tǒng)）實(shí)際上代表了高度靈活的環(huán)境，可以被主動(dòng)調(diào)節(jié)以鼓勵(lì)卸載，從而增強(qiáng)它們?cè)噲D塑造的材料的問(wèn)題解決能力。事實(shí)上，在這樣的環(huán)境中，環(huán)境的代理性質(zhì)不僅可以用于研究卸載，還可以用于研究“加載”（onboarding），其效果是雙向的。未被強(qiáng)烈占據(jù)的介質(zhì)成為其他代理的計(jì)算環(huán)境；例如，眾所周知，當(dāng)視覺(jué)被遮擋時(shí)，視覺(jué)皮層被處理聲音的算法“接管”[175,176]。很可能這種現(xiàn)象很普遍，但尚不容易識(shí)別（例如，在記憶轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象中留下線索[177,178]）。這種卸載的趨勢(shì)提供了巨大的機(jī)遇：例如，如果大腦算法可以接管更大的組織區(qū)域，也許額外的半球移植（或其更精細(xì)的版本）可以通過(guò)讓計(jì)算代理做它們似乎自然做的事情來(lái)提供智商提升。然而，這些動(dòng)力學(xué)也提供了重要的謹(jǐn)慎理由和進(jìn)一步研究的必要性。也許更一般地說(shuō)，當(dāng)我們將計(jì)算卸載到另一種介質(zhì)時(shí)，我們反過(guò)來(lái)也容易受到其議程的影響，并且可能在我們卸載計(jì)算任務(wù)的同時(shí)也承擔(dān)計(jì)算任務(wù)。鑒于未來(lái)物理、硅基和混合卸載機(jī)會(huì)的激增，為這類現(xiàn)象開(kāi)發(fā)可視化技術(shù)將是明智之舉。

從第4.6節(jié)的視角來(lái)看，確實(shí)清楚的是，用戶界面在總體上既關(guān)乎塑造機(jī)器行為，也同樣關(guān)乎塑造用戶行為。為更多技術(shù)賦予將其部分任務(wù)轉(zhuǎn)移到環(huán)境中非人類組件的能力——正如LLM和其他分布式計(jì)算系統(tǒng)現(xiàn)在常規(guī)所做的那樣——可能被證明是同時(shí)提高其效率和智能性的通用手段。

原文鏈接：https://www.preprints.org/frontend/manuscript/0df49c5fa2efec8ee4a9115a572c09b8/download_pub