不久前，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所研究員朱英杰與美國斯坦福大學(xué)生物系教授陳曉科合作發(fā)現(xiàn)，大腦存在一個動態(tài)評估外界信息重要性的關(guān)鍵腦區(qū)——丘腦室旁核(PVT)，該腦區(qū)能夠在不同環(huán)境和生理狀態(tài)下評估事件的重要性，從而幫助我們做出恰當(dāng)選擇。
他們利用光遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合電生理和光纖記錄技術(shù)首次發(fā)現(xiàn)，在小鼠大腦中，存在一群神經(jīng)元能夠編碼外界信息的重要性(即“生物學(xué)顯著性”)。這些位于大腦中部PVT腦區(qū)的神經(jīng)元活動，能夠反映外界刺激的重要性，并且隨內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境而動態(tài)變化，從而控制學(xué)習(xí)能力。該研究成果已以長文形式發(fā)表于國際頂級期刊《科學(xué)》雜志。
“判斷信息的重要性是一個高級的大腦功能，它能夠幫助人們更好地適應(yīng)環(huán)境，也控制著人們的注意力和學(xué)習(xí)能力。這一發(fā)現(xiàn)為人們未來研究如何提高大腦的認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力奠定了重要基礎(chǔ)，對普通人群和腦疾病患者的認(rèn)知與治療均具有突破性意義。”朱英杰表示。
大腦中存在對信息重要性進(jìn)行評估的腦區(qū)
每時每刻，我們都會接受大量信息的“轟炸”，為何你會從海量信息中提取出最重要的信息，并據(jù)此做出反應(yīng)?
“這是大腦信息處理面臨的一個基本問題。”朱英杰表示，此前，國際科學(xué)界普遍認(rèn)為PVT調(diào)控負(fù)性情緒，但他們針對同一腦區(qū)，通過實(shí)驗(yàn)論證顛覆性提出——PVT動態(tài)編碼事件重要性的概念。
“這項(xiàng)重要研究拓展了我們對丘腦功能的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)了影響學(xué)習(xí)和記憶的重要神經(jīng)機(jī)制。該工作將引起腦認(rèn)知和腦疾病研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并吸引更多研究者探索PVT這一重要腦區(qū)的功能。”美國三院院士、斯坦福大學(xué)終身教授羅伯特·馬倫卡評價道。
研究中，科研人員首先訓(xùn)練小鼠進(jìn)行嗅覺巴甫洛夫條件性學(xué)習(xí)，將不同氣味刺激與獎賞(水)或者懲罰(吹氣)偶聯(lián)起來，隨后他們發(fā)現(xiàn)，位于大腦中部的PVT神經(jīng)元能夠被重要事件所激活，無論是獎賞還是懲罰性刺激。科研人員還發(fā)現(xiàn)，小鼠對氣味的反應(yīng)也很耐人尋味——他們首次為小鼠呈現(xiàn)了小鼠不喜不厭的中性氣味，如果是第一次呈現(xiàn)該氣味，則能夠激活PVT;但如果該氣味反復(fù)出現(xiàn)，并且沒有伴隨任何后果時，PVT反應(yīng)逐漸消失;當(dāng)該氣味與獎賞或懲罰偶聯(lián)起來時，PVT又能被激活。此外，PVT被激活的幅度也能反映刺激的強(qiáng)度——兩滴水的獎賞比一滴水的獎賞能夠更好地激活PVT。
“這是首次發(fā)現(xiàn)在丘腦中存在能反映外界刺激重要性的神經(jīng)元。”論文通訊作者陳曉科表示。
在活動中的動物身上開展多通道電生理記錄技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，對于朱英杰來說是第一次。2016年，在實(shí)驗(yàn)初期，他遇到了不少技術(shù)難題，比如小鼠運(yùn)動時帶來的電噪音太大，等等。因此，他不得不跑到其他實(shí)驗(yàn)室求教，還走了一些彎路，才逐一攻克難題。
“此項(xiàng)研究十分復(fù)雜而精巧，研究結(jié)果表明，丘腦的一個特殊核團(tuán)——丘腦室旁核，在追蹤外界刺激的顯著性方面發(fā)揮著重要作用。而大腦正是利用這些信息來學(xué)習(xí)如何衡量外界刺激，并對某些刺激采取忽略或避免。”羅伯特·馬倫卡說，此前人們一直認(rèn)為，丘腦主要參與處理環(huán)境中的感覺刺激，國際科學(xué)界對PVT的研究多與焦慮、恐懼、抑郁等負(fù)面情感有關(guān)，而這項(xiàng)研究論述了丘腦如何在不同形式的學(xué)習(xí)記憶過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。由此可以預(yù)見，許多常見的腦疾病很可能也涉及了丘腦室旁核的功能異常，如藥物成癮和抑郁癥等。
大腦會針對內(nèi)外環(huán)境變化動態(tài)調(diào)節(jié)
在完成實(shí)驗(yàn)第一步之后，朱英杰一直在苦思冥想：神經(jīng)細(xì)胞編碼信息重要性的意義究竟何在?如何深挖這種響應(yīng)機(jī)制?隨后，他們通過改變內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境，進(jìn)一步研究了該機(jī)制在面對內(nèi)外環(huán)境變化后的動態(tài)響應(yīng)。
研究表明，外界刺激的顯著性(重要性)不僅取決于刺激本身的物理特征，也與動物的內(nèi)在生理狀態(tài)和所處的外部環(huán)境有關(guān)。
例如，當(dāng)小老鼠饑腸轆轆時，食物對它來說就是非常重要的資源;但當(dāng)它酒足飯飽之后，食物的誘惑性就要大打折扣。另外，外部環(huán)境的變化也影響著事件的重要性，即使小鼠饑腸轆轆，食物就在眼前，但如果有只貓守在食物旁，這時貓的顯著性(重要性)就要大于食物，小鼠就會壓制對食物的沖動，首先躲避貓。
他們通過光纖成像記錄技術(shù)和單細(xì)胞電生理記錄技術(shù)從不同角度反復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，PVT神經(jīng)元的活動能夠根據(jù)動物內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境，動態(tài)反映動物對重要性的判斷。
此外，他們還在研究中發(fā)現(xiàn)了PVT腦區(qū)對于“預(yù)期獎勵落空”存在動態(tài)評估機(jī)制。也就是說，當(dāng)每天小鼠到冰箱前都能發(fā)現(xiàn)一塊奶酪時，它已經(jīng)習(xí)慣了這種獎賞。但是有一天，當(dāng)小鼠到冰箱前卻沒有看到奶酪時，它的“心理失落感”會激活PVT。
然而，由于動物具有消退學(xué)習(xí)能力，即它如果習(xí)慣了冰箱前沒有奶酪，就會逐漸習(xí)慣于這種失落感而停止該行為。就好比夫妻之間的“七年之癢”，如果一直習(xí)慣了對方的存在，PVT反應(yīng)也會趨于平淡，這時，夫妻就可能過成了“家人”。但如果一旦有外界環(huán)境的刺激，又可能會重新激活初戀時的“心動感”。
不過，科研人員也發(fā)現(xiàn)，如果他們控制小鼠的PVT活動，其消退學(xué)習(xí)的過程會變得更慢。朱英杰說，“不妨做一個假設(shè)，人為干預(yù)可能會減緩感情消退的過程。讓PVT活動保持平穩(wěn)，夫妻之間也許可以一直有‘心動感’”。
人為干預(yù)可提升注意力和學(xué)習(xí)能力
自2017年加入中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院以來，朱英杰一直致力于深入研究大腦對信息重要性的評估機(jī)制。“僅僅找出數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)機(jī)制不是全部，我們的最終目標(biāo)是要解決問題，讓科學(xué)研究能夠‘研之有用’。”朱英杰說。
對信息重要性的評估有助于將注意力集中于重要事件，從而提高對該事件的學(xué)習(xí)能力。研究人員利用光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控發(fā)現(xiàn)，PVT控制著小鼠學(xué)習(xí)的速率和效果。在嗅覺巴甫洛夫條件性學(xué)習(xí)中，小鼠能夠?qū)W會氣味跟水獎勵的偶聯(lián)，表現(xiàn)為預(yù)期性的舔水。在人為利用光遺傳技術(shù)抑制PVT活動之后，這種偶聯(lián)性學(xué)習(xí)的速率和效果都大大受損。這說明，PVT的活動對于學(xué)習(xí)能力非常重要。
隨著人工智能發(fā)展，以深度學(xué)習(xí)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)方法正在視聽覺感知上媲美甚至超越人類。但在2018年8月召開的第S43次香山科學(xué)會議上，中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)所蒲慕明院士指出，與人腦學(xué)習(xí)能力相比，機(jī)器學(xué)習(xí)在可解釋性、推理能力、舉一反三能力等方面，存在明顯差距。
發(fā)展類腦智能，讓機(jī)器向人學(xué)習(xí)，是提升人工智能水平的重要方向。香港科技大學(xué)葉玉如院士也指出：“目標(biāo)是在多個層面，理論上模擬大腦的機(jī)制和結(jié)構(gòu)，開發(fā)一個更具有普遍性的人工智能以應(yīng)對包括多任務(wù)、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等方面的挑戰(zhàn)。”
近年來，腦科學(xué)研究正在從傳統(tǒng)的“讀腦”向“控腦”轉(zhuǎn)換。此項(xiàng)研究工作正是對PVT腦區(qū)的“讀”與“控”。
“未來我們將進(jìn)一步研究，是否可以通過增強(qiáng)PVT活動來提高人們的注意力，增強(qiáng)人們的學(xué)習(xí)能力，這將為轉(zhuǎn)化應(yīng)用打開一扇窗口。”朱英杰表示。
此外，該大腦機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)或許會為未來類腦智能與人工智能技術(shù)的結(jié)合提供新的研究思路。例如，在大數(shù)據(jù)時代，如何從海量信息中尋找重要的有效信息?在一萬張人臉中，如何通過一個生物學(xué)特征快速準(zhǔn)確識別出你想要找的那個人?這都需要尋找到背后的生物學(xué)原理。業(yè)內(nèi)專家表示，通過研究大腦如何動態(tài)評估外界信息重要性、生物學(xué)顯著性的內(nèi)在機(jī)制，對未來發(fā)展類腦智能、增強(qiáng)腦機(jī)融合，推動人工智能技術(shù)的跨越發(fā)展都將有重要意義。
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