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混合选择性的力量:理解大脑功能和认知

,醫學編輯
最近審查:02.07.2025
已發表: 2024-05-11 15:00

每天,我们的大脑都在努力实现一种平衡:周围发生着如此多的事件,同时又充斥着如此多的内在冲动和记忆,我们的思维必须灵活而又足够专注,才能引导我们需要做的一切。在《神经元》杂志的一篇新论文中,一组神经科学家描述了大脑如何实现整合所有相关信息的认知能力,而不会被无关紧要的事情所淹没。

作者认为,这种灵活性源于在许多神经元中观察到的一个关键特性:“混合选择性”。虽然许多神经科学家此前认为每个细胞只有一种专门的功能,但最近的证据表明,许多神经元可以参与并行工作的不同计算集合。换句话说,当一只兔子考虑在花园里啃食生菜时,单个神经元可能不仅参与评估它的饥饿程度,还参与听到头顶上鹰的鸣叫或闻到树上郊狼的气味,并判断生菜的距离。

论文合著者、麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所教授、混合选择性概念的先驱之一厄尔·K·米勒表示,大脑无法同时处理多项任务,但许多细胞确实具备参与多重计算(本质上是“思考”)的能力。在这篇新论文中,作者描述了大脑用来招募神经元参与不同计算,并确保这些神经元代表复杂任务正确维度数的具体机制。

这些神经元执行多种功能。通过混合选择性,你可以拥有一个尽可能复杂的表征空间,而不会超过你的需要。这就是认知功能的灵活性所在。

Earl K. Miller,麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所教授

索尔克研究所和加州大学圣地亚哥分校的教授、该研究的合著者凯·泰 (Kay Tai) 表示,神经元之间的混合选择性,特别是内侧前额叶皮层的混合选择性,是实现许多心理能力的关键。

“MPFC就像一个低语,通过高度灵活和动态的集合传达了大量信息,”Tai说。“混合选择性赋予我们灵活性、认知能力和创造力。它是最大化计算能力的秘诀,而计算能力本质上是智能的基础。”

想法的起源

混合选择性的概念始于2000年,当时米勒和他的同事约翰·邓肯(John Duncan)为米勒实验室一项关于认知功能研究的惊人结果进行了辩护。当动物将图像分类时,大脑前额叶皮层中约30%的神经元似乎被激活了。那些认为每个神经元都有专门功能的怀疑论者嘲笑大脑能够将如此多的细胞专门用于一项任务的想法。米勒和邓肯的答案是,也许这些细胞具有参与多种计算的灵活性。它们能够服务于一个大脑组,但这并不妨碍它们服务于其他许多大脑组。

但混合选择性究竟能带来什么好处呢?2013年,米勒与这篇新论文的两位合著者——IBM研究院的马蒂亚·里戈蒂(Mattia Rigotti)和哥伦比亚大学的斯特凡诺·富西(Stefano Fusi)——合作,展示了混合选择性如何赋予大脑强大的计算灵活性。本质上,相比于功能固定的神经元群体,具有混合选择性的神经元集合能够容纳更多维度的任务信息。

“自我们最初的研究以来,我们在通过经典机器学习思想的视角理解混合选择性理论方面取得了进展,”Rigotti 说道。“另一方面,对于实验者来说,关于在细胞层面实现这一目标的机制等重要问题的研究相对不足。此次合作和这篇新论文旨在填补这一空白。”

在这篇新论文中,作者设想一只老鼠决定是否吃一颗浆果。它可能闻起来很美味(这是一个维度)。它可能有毒(这是另一个维度)。这个问题的另一个或两个维度可能以社交线索的形式出现。如果一只老鼠闻到另一只老鼠呼吸中的浆果味,那么这颗浆果很可能可以食用(取决于另一只老鼠的健康状况)。一个具有混合选择性的神经集合可以整合所有这些信息。

吸引神经元

虽然混合选择性已被大量证据支持——它已被观察到存在于整个大脑皮层以及海马体和杏仁核等其他脑区——但仍存在一些悬而未决的问题。例如,神经元是如何被招募去执行任务的?如此宽容的神经元是如何只关注真正关键的任务的?

在这项新研究中,包括加州大学圣地亚哥分校的马库斯·本纳 (Marcus Benna) 和索尔克研究所的菲利克斯·塔施巴赫 (Felix Taschbach) 在内的研究人员确定了他们观察到的混合选择性形式,并认为当振荡(也称为“脑电波”)和神经调节剂(影响神经功能的化学物质,如血清素或多巴胺)将神经元招募到计算集合中时,它们也会帮助它们“过滤”对此目的重要的内容。

当然,有些神经元专门处理特定输入,但作者指出,它们是例外,而非常态。作者称,这些细胞具有“纯选择性”。它们只关心兔子是否看到了生菜。有些神经元表现出“线性混合选择性”,这意味着它们的响应可预测地取决于多个输入的总和(例如,兔子看到了生菜并感到饥饿)。最能增加测量灵活性的神经元是那些具有“非线性混合选择性”的神经元,它们可以解释多个独立变量,而无需将它们全部加在一起。相反,它们可以解释一整套独立的条件(例如,有生菜,我饿了,我听不到鹰的叫声,我闻不到郊狼的气味,但生菜很远,而且我能看到一道相当坚固的栅栏)。

那么,无论神经元数量多少,是什么吸引它们关注有意义的因素呢?一种机制是振荡,当许多神经元以相同的节律维持电活动时,大脑中就会发生振荡。这种协调的活动使得信息得以共享,本质上是将它们协调在一起,就像一群汽车都在播放同一个电台(比如头顶盘旋的鹰的广播)。作者强调的另一种机制是神经调节剂。这些化学物质到达细胞内的受体后,也会影响细胞的活动。例如,乙酰胆碱的激增可以类似地调节具有适当受体的神经元,使其对特定活动或信息(可能是饥饿感)做出反应。

作者写道:“这两种机制可能共同作用,动态地形成功能网络。”

他们继续说,理解混合选择性对于理解认知至关重要。

他们总结道:“混合选择性无处不在。它存在于所有物种中,并发挥着从高级认知到‘自动’感觉运动过程(例如物体识别)等各种功能。混合选择性的广泛存在凸显了其在为大脑提供复杂思维和行动所需的可扩展处理能力方面发挥的根本性作用。”

该研究的详细信息可在CELL 期刊页面上找到


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