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

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

腦的學習機制

人腦是由數(shù)十億個神經(jīng)元構(gòu)成的，這些神經(jīng)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(xiàn)神經(jīng)元之間的交流。

每個神經(jīng)元都擁有名為“樹突”的分支結(jié)構(gòu)，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(jīng)元的胞體，然后神經(jīng)元會將這些整合起來，進而觸發(fā)產(chǎn)生新的電脈沖。

神經(jīng)元是腦的基本單元。（圖/OpenStax）

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

長期以來，神經(jīng)科學家認為，學習是通過調(diào)整神經(jīng)元之間連接的強度實現(xiàn)的——新信息的產(chǎn)生和新經(jīng)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(jīng)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(fā)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(jīng)科學領(lǐng)域長期未解的難題。

學習規(guī)則的發(fā)現(xiàn)

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(jīng)元中植入了能夠?qū)崟r響應(yīng)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(wù)時，研究人員同步記錄了其突觸和神經(jīng)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(jīng)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(jié)果顯示，在學習過程中，神經(jīng)元上的突觸并非都遵循同一套規(guī)則。這打破了長期以來的假設(shè)，即神經(jīng)科學家以往認為神經(jīng)元遵循“赫布規(guī)則”，即持續(xù)性地同時放電的神經(jīng)元，會連接在一起。

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

這意味著，單個神經(jīng)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(diào)整對不同類型輸入的響應(yīng)，更準確地編碼新信息。換句話說，在學習過程中，神經(jīng)元所采用的并非統(tǒng)一的規(guī)則，而是遵循不同的規(guī)則以實現(xiàn)信息處理的多任務(wù)能力。

應(yīng)用前景

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

許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病都與突觸功能失調(diào)有關(guān)。例如，抑郁癥可能源于某些腦區(qū)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(fā)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(fā)展提供新思路。目前，人工智能背后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在很大程度上是受到腦的工作方式的啟發(fā)。它們大多采用統(tǒng)一的學習規(guī)則來調(diào)整模型參數(shù)，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(guī)則學習”方式或許能為開發(fā)更高效、更智能、更生物逼真的人工系統(tǒng)提供新思路。

當然，從實驗室的發(fā)現(xiàn)到應(yīng)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(guī)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(xiàn)學習，從而推動我們對人類認知機制的整體理解。

#創(chuàng)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