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我们的大脑如何为信息排序(2)

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大脑会针对内外环境变化动态调节

在完成实验第一步之后,朱英杰一直在苦思冥想:神经细胞编码信息重要性的意义究竟何在?如何深挖这种响应机制?随后,他们通过改变内在生理状态和外部环境,进一步研究了该机制在面对内外环境变化后的动态响应。

研究表明,外界刺激的显著性(重要性)不仅取决于刺激本身的物理特征,也与动物的内在生理状态和所处的外部环境有关。

例如,当小老鼠饥肠辘辘时,食物对它来说就是非常重要的资源;但当它酒足饭饱之后,食物的诱惑性就要大打折扣。另外,外部环境的变化也影响着事件的重要性,即使小鼠饥肠辘辘,食物就在眼前,但如果有只猫守在食物旁,这时猫的显著性(重要性)就要大于食物,小鼠就会压制对食物的冲动,首先躲避猫。

他们通过光纤成像记录技术和单细胞电生理记录技术从不同角度反复验证发现,PVT神经元的活动能够根据动物内在生理状态和外部环境,动态反映动物对重要性的判断。

此外,他们还在研究中发现了PVT脑区对于“预期奖励落空”存在动态评估机制。也就是说,当每天小鼠到冰箱前都能发现一块奶酪时,它已经习惯了这种奖赏。但是有一天,当小鼠到冰箱前却没有看到奶酪时,它的“心理失落感”会激活PVT。

然而,由于动物具有消退学习能力,即它如果习惯了冰箱前没有奶酪,就会逐渐习惯于这种失落感而停止该行为。就好比夫妻之间的“七年之痒”,如果一直习惯了对方的存在,PVT反应也会趋于平淡,这时,夫妻就可能过成了“家人”。但如果一旦有外界环境的刺激,又可能会重新激活初恋时的“心动感”。

不过,科研人员也发现,如果他们控制小鼠的PVT活动,其消退学习的过程会变得更慢。朱英杰说,“不妨做一个假设,人为干预可能会减缓感情消退的过程。让PVT活动保持平稳,夫妻之间也许可以一直有‘心动感’”。

人为干预可提升注意力和学习能力

自2017年加入中国科学院深圳先进技术研究院以来,朱英杰一直致力于深入研究大脑对信息重要性的评估机制。“仅仅找出数据、发现机制不是全部,我们的最终目标是要解决问题,让科学研究能够‘研之有用’。”朱英杰说。

对信息重要性的评估有助于将注意力集中于重要事件,从而提高对该事件的学习能力。研究人员利用光遗传学神经调控发现,PVT控制着小鼠学习的速率和效果。在嗅觉巴甫洛夫条件性学习中,小鼠能够学会气味跟水奖励的偶联,表现为预期性的舔水。在人为利用光遗传技术抑制PVT活动之后,这种偶联性学习的速率和效果都大大受损。这说明,PVT的活动对于学习能力非常重要。

随着人工智能发展,以深度学习为代表的机器学习方法正在视听觉感知上媲美甚至超越人类。但在2018年8月召开的第S43次香山科学会议上,中国科学院神经科学所蒲慕明院士指出,与人脑学习能力相比,机器学习在可解释性、推理能力、举一反三能力等方面,存在明显差距。

发展类脑智能,让机器向人学习,是提升人工智能水平的重要方向。香港科技大学叶玉如院士也指出:“目标是在多个层面,理论上模拟大脑的机制和结构,开发一个更具有普遍性的人工智能以应对包括多任务、自学习和自适应等方面的挑战。”

近年来,脑科学研究正在从传统的“读脑”向“控脑”转换。此项研究工作正是对PVT脑区的“读”与“控”。

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