我們是如何學(xué)習新事物的？道新工作中的任務(wù)、最新熱門(mén)歌曲的歌詞，或者朋友家的方向，怎樣在我們的大腦中被編碼？

總體而言，我們的大腦會(huì )進(jìn)行適應，以便容納新信息。為了遵循新的行為或牢記新引入的知識，大腦的神經(jīng)回路會(huì )發(fā)生變化。

這種變化發(fā)生在無(wú)數個(gè)突觸之間，突觸是連接稱(chēng)為神經(jīng)元的個(gè)體神經(jīng)細胞的地方，負責大腦中的信號傳遞。在這個(gè)復雜的協(xié)調過(guò)程中，新信息使得某些突觸隨著(zhù)新數據而增強，而其他突觸則變得較弱。研究這些變化的神經(jīng)科學(xué)家們稱(chēng)之為“突觸可塑性”，并分析了許多導致這種可塑性的分子機制。然而，能夠選擇哪些突觸經(jīng)歷此過(guò)程的“規則”仍然是不明之謎，這一奧秘最終決定了學(xué)習信息是如何在大腦中被捕獲和存儲的。

加州大學(xué)圣地亞哥大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家William Jake Wright、Nathan Hedrick和 Takaki Komiyama發(fā)表于《Science》期刊的最新研究揭示了這一過(guò)程中的關(guān)鍵細節。

研究人員采用了一種尖端的腦部可視化技術(shù)，包括雙光子成像，深入觀(guān)察小鼠的大腦活動(dòng)，追蹤學(xué)習過(guò)程中突觸和神經(jīng)元的活動(dòng)。通過(guò)前所未有的方式觀(guān)察到單個(gè)突觸，新圖像顯示，神經(jīng)元在學(xué)習過(guò)程中并不遵循統一的規則，這與傳統觀(guān)點(diǎn)相左。相反，數據顯示，個(gè)別神經(jīng)元遵循多種規則，不同區域的突觸則遵循不同的規則。這些新發(fā)現為多個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展提供了助力，從行為研究到人工智能都有廣泛的應用潛力。

“人們通常認為突觸可塑性在大腦中是均勻的，”第一作者Wright表示。他補充道：“我們的研究提供了對突觸在學(xué)習過(guò)程中如何變化的更清晰的認識，這可能對某些問(wèn)題產(chǎn)生重要影響，因為許多大腦相關(guān)現象涉及某種形式的突觸功能失調。”

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1068575

圖片信息：神經(jīng)元及其分支延伸部分稱(chēng)為樹(shù)突，位于小鼠的大腦皮層中。

研究人員仔細研究了突觸如何僅能訪(fǎng)問(wèn)它們自己的“局部”信息，但集體而言，它們能夠塑造廣泛的新學(xué)習行為，這一現象被稱(chēng)為“歸因問(wèn)題”。這個(gè)問(wèn)題類(lèi)似于個(gè)別螞蟻在不知曉整個(gè)群體目標的情況下，依然能夠完成特定任務(wù)。

神經(jīng)元同時(shí)遵循多重規則的發(fā)現讓研究人員感到意外。所采用的尖端方法使他們能夠實(shí)時(shí)可視化神經(jīng)元的輸入和輸出變化。“這一發(fā)現從根本上改變了我們對大腦如何解決歸因問(wèn)題的理解，提出個(gè)別神經(jīng)元在不同的亞細胞結構中并行執行不同計算的概念，”該研究的資深作者Komiyama表示。

這一新信息為人工智能的未來(lái)提供了有希望的見(jiàn)解，尤其是在其運作的類(lèi)腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方面。通常，一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )在共同的可塑性規則下運作，但這項研究推測出基于單個(gè)單位使用多重規則設計先進(jìn)AI系統的可能新方法。

“這一工作為我們理解大腦正常運作的方式奠定了基礎，從而使我們更能夠理解其中出現的問(wèn)題，”Wright指出。下一步，研究計劃探索神經(jīng)元“多線(xiàn)程”運作的分子機制，并嘗試在A(yíng)I芯片中模擬這一特性。

期刊：Science

DOI：10.1126/science.ads4706