清华与斯坦福团队在LLM内部发现两种神经元，定位奖励子系统

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大型语言模型的隐藏状态里，早已被发现包含一些与答案正确性、模型置信度和奖励相关的信息。但此前的研究通常直接对完整隐藏状态训练一个探测器，只能说明这些信息「能够被读出来」，却很难进一步回答究竟是模型中的哪些神经元在编码这些信号？

斯坦福与清华大学在一项研究中出了一种更细的观察方式。他们发现，与奖励相关的信息并没有平均分散在整个隐藏状态中，而是集中在一小部分神经元里，并将其称为 reward subsystem，即奖励子系统。

      ^{论文链接：https://arxiv.org/abs/2602.00986}

模型中的神经元

论文最终找到的两类神经元，分别对应状态价值和逐步奖励预测误差。

第一类是 value neurons（价值神经元）。它们编码当前状态的预期价值，也就是从当前推理状态继续生成下去，最终得到正确答案的概率。

第二类被称为 dopamine neurons（多巴胺神经元）。它们编码的是逐步的时分误差（TD error），反映某一步推理之后，模型预期获得正确答案的概率发生了多大变化。

      ^{表 1：奖励子系统的概述。}

价值神经元

想要找到这些神经元，研究团队首先训练一个简单的价值探针，从模型隐藏状态预测当前状态的价值。随后，他们逐渐剪掉探测器输入中的神经元，只保留最重要的部分。

结果显示，即使只留下不到 1% 的神经元，模型依然可以较好地预测状态价值。这个现象不仅出现在 Qwen-2.5-14B 模型和 GSM8K、MATH500 任务中，研究人员还在 ARC、MBPP+ 和 IFEval 等不同任务，以及 Qwen、Phi 和 Llama 等不同模型中观察到了类似的稀疏价值神经元。

他们随后对这些神经元进行直接干预，在 Qwen-2.5-7B-SimpleRL-Zoo 上，原始 MATH500 准确率为 75.2%。研究人员只将某一层中排名最高的 1% 价值神经元置零，平均准确率下降到 20.3%；而随机置零同样比例的神经元时，准确率基本保持不变。

^{图 1：GSM8K 和 MATH500 数据集上 Qwen-2.5-14B-SimpleRL-Zoo 模型第 2–4 层的 AUC 曲线。}

不同于一般意义上的「重要神经元」，这些价值神经元被破坏后出现的巨大性能下降，为它们确实承担奖励相关功能提供了因果证据。

多巴胺神经元

价值神经元关注的是当前状态最终能否成功，多巴胺神经元关注的则是刚刚发生的这一步，让成功概率发生了什么变化。

研究人员按照推理段落计算 TD 误差。当某一步让模型最终答对的可能性高于此前预期时，误差为正；如果某一步让情况变差，则为负。对应的神经元也呈现出明显的峰值和低谷。

      ^{图 2：多巴胺神经元编码模型当前状态预测误差的信息。}

论文展示的一个例子中，模型原本并没有太大把握，但随后找到了关键逻辑步骤并最终解题成功，多巴胺神经元在这些关键节点出现明显峰值。反过来，当模型原本信心较高，却在中途出现逻辑错误时，相应神经元会在错误出现的位置形成低谷。

类似的剪枝实验表明，TD 误差信息同样集中在一小部分神经元中。

神经元的应用

这套奖励子系统还有一个实际用途。

价值神经元在模型开始生成答案之前，就已经能够从初始隐藏状态中提供一定的价值信息。因此，它们可以被用作一种轻量级的模型置信度估计器。在 MATH500 和 ARC 两个任务上，价值神经元方法平均 AUC 达到 0.67，高于论文比较的完整隐藏状态探测器等方法。

      ^{表 2：不同模型和基准对不同置信预测方法的 AUC 比较。}

多巴胺神经元则可以进一步充当流程奖励模型（PRM）。研究人员让模型每次产生 4 个候选推理步骤，再根据多巴胺神经元预测的奖励变化为它们评分，选择得分最高的一项继续推理。在 MATH500 上，这种方法的准确率达到 77.8%，高于贪心解码和随机选择的 72.2%，也高于论文中的隐式 PRM 方法 75.0%。

这项研究因此把一个比较模糊的问题进一步具体化：大模型内部确实存在与奖励相关的稀疏结构，而且至少有一部分可以被定位、干预和利用。对于理解 LLM 推理而言，研究者开始走出模型黑箱，观察这些信息究竟集中在哪里，以及这些神经元如何参与模型对自身推理过程的评价。