每天，我們都在不斷學習并形成新的記憶。無論是培養一項新愛好、完成一項任務，還是學會一首熱門歌曲，我們的腦都能將這些經歷儲存多年，甚至數十年。

那么，這種令人驚嘆的能力是如何實現的呢？一項于近日發表在《科學》雜志上的研究，通過先進的突觸成像技術，在小鼠的學習過程中實時追蹤了神經元的活動變化，從而揭示了腦在學習時所遵循的一些“規則”。

腦的學習機制

人腦是由數十億個神經元構成的，這些神經元會通過電脈沖來傳遞信息。而這些電脈沖則通過“突觸”的連接，來實現神經元之間的交流。

每個神經元都擁有名為“樹突”的分支結構，它們可從成千上萬個突觸接收電信號。樹突會將這些信號傳送到神經元的胞體，然后神經元會將這些整合起來，進而觸發產生新的電脈沖。

神經元是腦的基本單元。（圖/OpenStax）

正是這些電脈沖在特定神經元群之間的集體活動，構成了腦對特定信息或經歷的表征。

長期以來，神經科學家認為，學習是通過調整神經元之間連接的強度實現的——新信息的產生和新經驗的形成會增強某些突觸連接，削弱另一些，這種變化會改變神經元之間的交流方式，以及它們集體活動的模式。這一過程被稱為“突觸可塑性”。

然而，僅僅改變突觸強度并不夠——為了建立準確的信息表征，正確的突觸必須在正確的時間以正確的方式發生變化。那么，腦是如何知道該改變哪個突觸的？事實上，這一問題被稱為“信用分配問題”，是神經科學領域長期未解的難題。

學習規則的發現

在這項新研究中，研究人員決定直接觀察腦中單個突觸在學習過程中的活動，以揭示哪些連接會被加強，哪些會被削弱。

他們在小鼠的神經元中植入了能夠實時響應的突觸活動的生物傳感器，并采用了一種尖端的腦可視化方法，對小鼠的腦活動進行了實時追蹤。當小鼠在學習一項基于聲音提示和杠桿操作的任務時，研究人員同步記錄了其突觸和神經元細胞的活動。

當小鼠學習一種新行為時，研究人員密切跟蹤神經元樹突上的突觸連接（圖中小突起即為突觸）。（圖/ucsd.edu）

出人意料的是，圖像結果顯示，在學習過程中，神經元上的突觸并非都遵循同一套規則。這打破了長期以來的假設，即神經科學家以往認為神經元遵循“赫布規則”，即持續性地同時放電的神經元，會連接在一起。

但數據顯示，同一個神經元在不同樹突位置上的突觸可以遵循不同的規則：一些突觸確實遵循赫布規則；但另一些突觸則可以完全獨立于神經元活動。

這意味著，單個神經元可以在不同突觸上并行使用不同的學習機制。通過這種方式，腦能夠更精細地調整對不同類型輸入的響應，更準確地編碼新信息。換句話說，在學習過程中，神經元所采用的并非統一的規則，而是遵循不同的規則以實現信息處理的多任務能力。

應用前景

神經元在不同突觸上可同時使用多套學習規則的發現，讓研究人員感到震撼。這一發現不僅改變了我們對學習過程中神經元之間的聯系是如何變化的理解，也可能對人類健康和人工智能技術帶來深遠影響。

許多神經系統疾病都與突觸功能失調有關。例如，抑郁癥可能源于某些腦區突觸連接的異常削弱，導致腦無法處理快樂的體驗。如果能夠更清楚地理解健康腦中的突觸可塑性的運作方式，科學家們便有可能開發出更有效的抑郁癥療法。

另一方面，這項研究也可能為人工智能的發展提供新思路。目前，人工智能背后的神經網絡在很大程度上是受到腦的工作方式的啟發。它們大多采用統一的學習規則來調整模型參數，雖然靈感來源于腦，但與腦的復雜學習機制仍有較大差距。研究揭示的“多規則學習”方式或許能為開發更高效、更智能、更生物逼真的人工系統提供新思路。

當然，從實驗室的發現到應用于治療仍有很長的路要走。科學家尚不清楚腦為何要在不同突觸上使用不同規則，也不確定這種“多策略學習”是否會帶來其他影響。未來的研究將有望回答這些問題，進一步揭示腦如何在微觀層面上實現學習，從而推動我們對人類認知機制的整體理解。

#創作團隊：

編譯：糖獸

排版：雯雯

#參考來源：

https://theconversation.com/how-does-your-brain-create-new-memories-neuroscientists-discover-rules-for-how-neurons-encode-new-information-254558

https://today.ucsd.edu/story/groundbreaking-study-uncovers-how-our-brain-learns

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads4706

#圖片來源：

封面圖&首圖：uscd.edu