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对话韩芃睿:拆开AI大脑,看见了和人脑相似的功能分工

MIT团队研究发现,仅靠下一词元预测训练的大语言模型会自发形成与人脑相似的功能模块化分工,语言、逻辑、物理、社会推理分别由不同神经元支撑,并具有因果效力。这表明模块化更可能是智能系统的深层规律,而非生物演化的偶然。

人脑的结构并非均匀分布。经过漫长的演化,它形成了一套分工精细的组织:语言、逻辑、物理直觉、社会推理,各自盘踞在皮层相对固定的区域,既分工又协作。一个困扰研究人员许久的问题是:大脑的这种功能分区,究竟是任何智能系统都躲不开的必然,还是人类演化路上的偶然?

最近,MIT 团队的一项研究“Modular Cognitive Architecture Emerges in Large Language Models ”表明,答案更倾向于前者。毕竟,大语言模型的出身完全不同——它没有身体,没经历过演化,只是靠着在海量文本上做基于下一词元预测(next-token prediction)的训练。当这样一个构造截然不同的系统也展现出类似的分工时,它更像是智能本身的深层规律,而非碳基大脑的偶然。不过,作者也谨慎地强调,这仅仅是“证据的指向”,远谈不上定论。

这项研究的带队者包括两位资深学者:一位是 MIT 脑与认知科学系教授 Evelina Fedorenko,她因界定出人脑中专门负责语言的“语言网络”而闻名,2025 年刚获美国国家科学院颁发的 Troland 研究奖;另一位是 MIT 计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)教授 Jacob Andreas,他是 AI 与自然语言处理领域的知名学者。研究的第一作者是韩芃睿,他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)计算机科学硕士,师从尤佳轩教授;他的工作发表于 ICML、EMNLP 等顶级会议,曾获 NeurIPS Workshop 最佳论文荣誉提名。


(来源:Github)

在这项研究中,团队分析了六个 24B 到 123B 的主流开源模型,覆盖语言、逻辑、物理、社会四大认知域共 46 个任务,用电路级方法定位每个任务真正依赖的神经元。他们发现,同域任务共享神经元,跨域却几乎互不相干——同域重叠是跨域的四倍多。更关键的是,他们做了一个干净利落的验证:关掉负责语言的神经元,模型照样能进行物理推理,只是表达不通顺;关掉负责物理的神经元,句子流畅,结论却说反了。这套分工,不是统计上的巧合,而是有实实在在的因果效力。

围绕这项研究,以及它用 AI 理解智能本身的理念,DeepTech 和韩芃睿进行了一次对话。

用另一种智能,回答一个只有一个样本的问题

DeepTech:你们是怎么想到用 LLM 来切入大脑的功能分区是“智能系统的必然”,还是“生物演化的偶然”?

韩芃睿:这个问题光靠研究大脑本身很难回答。因为我们只有一个样本,而且生物组织还背着很多和任务无关的约束,比如能量代谢。

趋同演化在生物学里是一种很强的证据逻辑:如果一个性状在亲缘很远的物种里各自独立出现——比如蝙蝠和鲸鱼各自演化出回声定位——那就有理由相信,它是被问题本身逼出来的,而不是偶然。

LLM 给了我们一个全新的机会。它是另一类智能系统,走的是完全不同的优化路径,本质上是在预测下一个词元(next-token prediction)上做梯度下降,和生物演化截然不同。同时,它又具备很多人类独有的高级认知能力,比如理解人类语言、解决复杂的数学问题。所以,如果模块化在 LLM 里也独立出现了,那它更可能是任何朝着智能优化的系统都会收敛到的解,而不是碳基大脑的偶然。这就是我们用 LLM 切进来的核心动机。

DeepTech:团队里既有认知科学家 Evelina Fedorenko,也有 AI 研究者 Jacob Andreas。这两边看问题的方式很不一样,你们怎么协调这些视角?

韩芃睿:其实两边的摩擦比想象中小很多。因为 Jacob 和 Ev 都研究语言和 AI,共享了非常多的兴趣和判断,只是侧重不一样。Jacob 会更聚焦在算法这一层。举个例子:我们最开始用的方法更偏神经科学,直接拿最小对照对(minimal pair)去比激活值,看哪些神经元在统计上是显著的。但后来发现,这样识别出来的单元没有很好的因果影响,Jacob 就建议我们换成 patching 这类更严格的方法,这直接决定了后面整套流程。

Ev 这边更在意科学层面的洞见,比如怎么让任务和脑网络的对应更扎实,以及我们到底能检验哪些真正有意思的假设。一个偏重方法站不站得住,一个偏重科学值不值得问,两个视角其实是互补的,最后拼在一起,研究才完整。

模块化,是“同时解决很多问题”逼出来的

DeepTech:如果用最简单的一句话概括你们的研究发现,你会怎么说?

韩芃睿:一个只靠预测下一个词元、靠反向传播训练出来的语言模型,会自发长出和人脑相似的模块化分工:语言、逻辑、物理、社会推理各自由一批基本不重叠的神经元支撑。而且这种分工是有因果效力的:关掉某个域的神经元,只会破坏那个域的能力。

DeepTech:你们有一个很直观的结果,同一类任务用的是重叠的神经元,不同类任务用的是几乎不相干的神经元,同域重叠是跨域的四倍多。LLM 为什么会形成这种分工?

韩芃睿:我们提出的一个可能解释是:LLM 要在海量、异质的语料上实施预测,而这种预测常常需要多种推理同时上场。想象一下,你要预测一本侦探小说结尾的下一个词:可能同时需要演绎推理去缩小嫌疑人范围,社会推理去推断动机,物理推理去判断作案在物理上是否可能,而这些还都得和解析句子结构的语言处理交织在一起。

当多种计算要在同一个输入上同时运行,系统就面临一个压力:别让它们互相干扰。这个压力有两层。一层是处理层面,几种信息要同时表示,编码就必须彼此可分,否则会撞在一起、互相污染。另一层是学习层面,如果不同计算的神经元混在一起,改进一个域的更新就会扰动另一个域,这是分布式系统里灾难性干扰的老问题。

把不同计算分给不同的神经元,正好同时解决了这两种干扰。所以,模块化很可能不是被谁设计的,而是来自于同时解决很多种问题的压力。

DeepTech:损伤实验里出现了一个现象:关掉负责语言的神经元,模型推理是对的,但语法开始出错;关掉负责物理的神经元,语法流畅,却把物理结论说反了。这种形式与内容的分离,你会怎么理解?

韩芃睿:对,这正是我们在损伤实验里看到的双分离(double dissociation),而且它非常干净。用同一个物理问题——一根橡皮筋热老化之后的弹性来测试。关掉语言神经元,模型的物理推理还是对的:更弱的回弹力、回弹不完全、耗散更多能量,但语法和词法开始出错。反过来关掉物理神经元,句子依然通顺流畅,但物理结论说反了。

这说明模型内部确实把“把话说通顺”和“把道理说对”交给了两套不同的系统。它们在同一个输出上协作,但可以被独立地破坏。这种可分离性本身就是模块化最直接的行为证据。这其实也和 Ev 之前在人身上的发现很呼应——语言能力严重受损的失语症患者,几乎无法理解语言,却依然能完成很复杂的推理、数学和逻辑任务。

DeepTech:Transformer 没有神经科学的能量代价,损失函数也不在乎具体用了多少神经元,它却照样出现了模块化。你觉得是什么在驱动它?

韩芃睿:神经科学里的解释是代谢约束:大脑每次只激活一小部分神经元,比广泛激活省能量,而给每类任务分一套专属神经元,正好能实现这种稀疏。但这个压力对我们研究的 LLM 完全不适用。Transformer 的前向计算在任何生物意义上都没有代谢成本的差异,损失函数里也没有任何一项去惩罚某个输入激活了多少神经元。可即便如此,一个明显可辨认的、类人的模块化组织照样出现了。

这说明,代谢压力不管在塑造人类皮层时起了多大作用,它都不是功能特化出现的必要条件。那真正在驱动的是什么?我们认为一种可能,就是前面说的那种干扰压力,它不需要任何能量代价就能成立。

DeepTech:对照实验里,小模型 GPT-2 做不对这些推理任务,它只能分出“语言 VS 其他”,分不出更细的模块。你们也提到“模块化只在模型真能解决任务时才出现”。你可以具体解释一下吗?

韩芃睿:先讲清楚我们这套方法的一个性质:归因修补(attribution patching)本质上是在找那些对做对任务有因果贡献的神经元。换句话说,如果模型根本做不对、或者理解不了某个任务,它内部就没有一套对的计算可言,修补出来的东西自然也没有意义。GPT-2 的对照正好佐证了这一点。我们把完全一样的流程、完全一样的数据放到 GPT-2 上,它做不了大部分推理任务,结果就只能分出“语言 vs 其他”。这说明我们的框架测的是底层计算,而不是数据本身的假象。

当然,我们也承认,换一套别的办法或者换更简单的任务,GPT-2 有可能也显现出某种模块化。所以,我们的发现想强调两点:第一,我们这个框架测到的是计算,而不是数据的假象。我们还专门做了一个关于语义的对照实验来佐证,光靠 prompt 的语义相似度是还原不出这个结构的;第二,也正因为这样,与其说这种精细分工是“涌现的副产品”、或者去谈它和规模的关系,我们更愿意说:模型真正能解题,是它出现的前提。只有能理解、能做对,才谈得上计算、才谈得上电路。

把 LLM 当作“第二种智能系统”来研究

DeepTech:你们在文章里提到一个很有意思的定位:LLM 可以当作“第二种智能系统”去检验我们关于人类认知的理论。这对研究大脑有什么具体的启示?

韩芃睿:LLM 作为一个科学研究对象,在拥有很多复杂行为和能力的同时,比人脑有更多可控性,也更容易交互。我们可以随意探测它、干预它、把某部分关掉再看会发生什么,这些在人身上要么做不到,要么代价极高。所以它本身就是一个很适合拿来做科学研究的对象,能帮我们更高效地检验关于智能和认知的假设。

对神经科学,我们有两个挺具体的方向。一是预测:我们的方法可以从 LLM 出发,对一个全新的任务会调用人脑哪个网络生成假设,再拿去用 fMRI 验证,等于给脑科学多了一个产生假设的来源。二是研究信息流:不同脑网络之间怎么把信息传给彼此,这在人脑里极难研究,因为你需要同时具备很高的空间和时间分辨率,而这个组合在人类神经成像里基本做不到。但在 LLM 里,我们能同时访问全部神经元和它们的连接,所以可以去构建和检验一些机制层面的假设,比如语言系统到底是怎么把解析好的输入喂给某个推理系统的。

DeepTech:反过来,你认为这项发现对做 AI 的人有什么用?知道模型内部是模块化的,能帮我们把模型造得更好或者更可控吗?

韩芃睿:最直接的一条,和现在很火的混合专家模型(mixture-of-experts,MoE)有关。MoE 被采用主要是出于效率考虑,把每个 token 路由给一部分专家,能减少激活的参数量。但我们的发现提示,模块化组织本身可能还带来额外的计算优势,而不只是省算力。

已经有工作往这个方向走了,比如让专家之间形成类脑的特化,既保住了推理的性能,又让模型更可解释、更可引导。所以知道模型内部是模块化的,未来可能真的能反过来指导我们把模型设计得更好、更可控。这块还很开放,值得深挖:模块化和性能之间,到底是什么关系。

AI 像大脑,最怕被过度解读

DeepTech:AI 像大脑这种说法很容易被过度解读。作为研究者,你最希望大众不要从这项研究里武断得出的错误结论是什么?

韩芃睿:这是个很好的问题。做这类研究一个很重要的注意事项,就是不要过度地把 LLM 当人。随着研究深入,很多实验室确实发现了越来越多 AI 和大脑相似的地方,从行为到机理,这非常令人兴奋。但不可否认,LLM 和大脑有着根本性的不同,而且它只由语言这一个模态驱动。

所以我的态度是:LLM 是一个很好的东西,可以拿来检验假设、去交互、去探测,把它当成一个科学研究对象来研究,这比研究人有更多可控性、也更高效。但不能盲目。每一个实验我们都要尽力去分清,这个相似背后真正的来源是什么。它可能来自一个真正的原理,也可能只是某些人类数据的假象,或者其他各种因素。把这些分清,才能让研究更经得起推敲。

DeepTech:抛开这项具体的研究,在“用 AI 理解智能本身”这个方向上,你觉得最大的挑战是什么?

韩芃睿:我觉得最大的挑战,恰恰就是上一个问题的延伸:怎么系统性地把一个真正的原理和一个假象区分开。

现在我们缺一套公认的标准,去判断某个 AI 和大脑相似到底算不算数。它是两类智能系统面对同一个问题各自收敛出的深层原理,还是只是训练数据、任务设计或者度量方式带来的表面巧合。每一个这样的相似,都需要单独去设计对照、去排除掉浅层的解释,才敢说它有意义。

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