Synchronizing Minds through Collective Predictive Coding: A Computational Model of Parent-Infant Homeostatic Co-Regulation

技术摘要：通过集体预测编码同步心智

问题陈述
在实时双人互动（如亲子交流）中观察到的脑间同步（IBS）表明，互动的主体会发展出对齐的潜在表征。然而，关于这种对齐如何在仅拥有局部感官访问权限且内部知识不对称的主体之间产生的计算解释，目前仍发展不足。一个核心挑战在于建模两个主体如何协调以调节身体状态，同时在对齐其潜在表征时，既无需直接访问彼此的隐藏状态，也无需维护对对方的深度递归模型，尽管每个主体都拥有私人的内部状态和有限的感官数据。

方法论
作者提出了一种亲子稳态共调节的建构性计算模型，该模型整合了两个主要框架：

1. 主动内感受推断（POMDP）：互动被建模为部分可观测马尔可夫决策过程（POMDP）。两个主体，即父母（主体 A）和婴儿（主体 B），拥有不对称的生成模型知识：
   • 父母拥有准确的状态转移矩阵（$B_A$），编码了动作如何转化内脏状态，但必须学习感官生成矩阵（$A_A$），将其对婴儿状态的推断与观察到的外感受线索（如颤抖）联系起来。
   • 婴儿拥有准确的感官生成矩阵（$A_B$），用于直接内感受其自身状态，但必须学习状态转移矩阵（$B_B$），以捕捉动作如何影响其身体。
   • 两个主体均处理局部可用的感官输入，并通过狄利克雷分布在线学习各自未知的矩阵。
2. 通过 MHNG 实现的集体预测编码（CPC）：为了调解对调节行动的一致意见，主体利用 Metropolis–Hastings 命名游戏（MHNG）。一个共享的通信变量（符号 $w$）基于主体的内部表征（$z$）进行采样。提议符号的接受与否由可局部计算的 Metropolis–Hastings 概率决定，该概率仅取决于听者的内部生成模型。这使得主体能够在不直接访问伙伴隐藏状态的情况下，相互约束其后验信念。

模拟在一个代表婴儿内脏状态（能量和体温）的 $6 \times 6$ 离散网格世界中进行。主体旨在通过合作行动（冷却、保暖、进食、玩耍、睡眠）将状态维持在具有高先验偏好（$C$）的区域。

实验设置与指标
本研究比较了三种条件：

• MHNG：符号通过基于 MHNG 协议的双向亲子交流产生。
• A-only：婴儿总是接受父母的提议；父母总是拒绝婴儿的提议。
• B-only：父母总是接受婴儿的提议；婴儿总是拒绝父母的提议。

关键指标包括：

• 适应性（$C_{norm}$）：婴儿内脏状态与高先验偏好区域对齐的程度。
• 平均熵（$\bar{H}$）：学习到的生成矩阵（父母的 $A$，婴儿的 $B$）的熵，指示预测准确性。
• 心智表征相似性（$JSD_z$）：父母和婴儿潜在状态后验分布（$q(z_A)$ 和 $q(z_B)$）之间的 Jensen–Shannon 距离。

主要结果

1. 调节性能：与单向控制条件（A-only 和 B-only）相比，MHNG 介导的互动更适应地调节了婴儿的内脏状态。在 MHNG 条件下，内脏状态从学习早期阶段就保持在高先验偏好区域内。
2. 快速潜在状态对齐：主体后验分布之间的 Jensen–Shannon 距离（$JSD_z$）在约 20 次迭代后趋近于零，表明内部表征的快速同步。
3. 对齐与模型收敛的解耦：生成矩阵的收敛（由熵 $\bar{H}$ 的降低指示）发生得晚得多，在约 500 次迭代时达到饱和。关键在于，表征同步的出现远早于所学世界模型的收敛。
4. 不对称机制：快速对齐归因于主体知识的互补性：婴儿通过准确的自下而上感官生成（$A_B$）把握其内脏状态，而父母则通过准确的自上而下状态转移（$B_A$）把握该状态。

意义与主张
该论文声称提供了一种“最小建构性解释”，用于解释与超扫描研究中报告的 IBS 相容的潜在状态对齐。其主要贡献在于证明表征同步并不预设完全共享的世界模型。相反，拥有不对称知识和局部感官访问权限的主体，可以通过受可局部计算的接受概率支配的共享通信变量，实现其潜在信念的快速对齐。

作者将通过 MHNG 操作化的集体预测编码（CPC）假说定位为脑间对齐的候选计算基础。他们论证，该框架解释了社会互动如何约束后验信念并促进共调节，而无需主体直接访问彼此的观察结果或维护对对方的复杂递归模型。

局限性与未来方向
作者承认，当前模型使用了简化的二维离散网格世界，并假设先验偏好（$C$）和解释矩阵（$E$）是共享且静态的。因此，该模型未解决符号产生本身的动态过程。未来的工作提议使用连续的多维表征使模型与真实生物或机器人对齐，并引入针对 $C$ 和 $E$ 矩阵的学习规则，以模拟社会意义的产生。