新研究揭示脑的学习规则

每天，我们都在不断学习并形成新的记忆。无论是培养一项新爱好、完成一项任务，还是学会一首热门歌曲，我们的脑都能将这些经历储存多年，甚至数十年。

那么，这种令人惊叹的能力是如何实现的呢？一项于近日发表在《科学》杂志上的研究，通过先进的突触成像技术，在小鼠的学习过程中实时追踪了神经元的活动变化，从而揭示了脑在学习时所遵循的一些“规则”。

  脑的学习机制  

人脑是由数十亿个神经元构成的，这些神经元会通过电脉冲来传递信息。而这些电脉冲则通过“突触”的连接，来实现神经元之间的交流。

每个神经元都拥有名为“树突”的分支结构，它们可从成千上万个突触接收电信号。树突会将这些信号传送到神经元的胞体，然后神经元会将这些整合起来，进而触发产生新的电脉冲。

神经元是脑的基本单元。（图/OpenStax）

正是这些电脉冲在特定神经元群之间的集体活动，构成了脑对特定信息或经历的表征。

长期以来，神经科学家认为，学习是通过调整神经元之间连接的强度实现的——新信息的产生和新经验的形成会增强某些突触连接，削弱另一些，这种变化会改变神经元之间的交流方式，以及它们集体活动的模式。这一过程被称为“突触可塑性”。

然而，仅仅改变突触强度并不够——为了建立准确的信息表征，正确的突触必须在正确的时间以正确的方式发生变化。那么，脑是如何知道该改变哪个突触的？事实上，这一问题被称为“信用分配问题”，是神经科学领域长期未解的难题。

  学习规则的发现  

在这项新研究中，研究人员决定直接观察脑中单个突触在学习过程中的活动，以揭示哪些连接会被加强，哪些会被削弱。

他们在小鼠的神经元中植入了能够实时响应的突触活动的生物传感器，并采用了一种尖端的脑可视化方法，对小鼠的脑活动进行了实时追踪。当小鼠在学习一项基于声音提示和杠杆操作的任务时，研究人员同步记录了其突触和神经元细胞的活动。

当小鼠学习一种新行为时，研究人员密切跟踪神经元树突上的突触连接（图中小突起即为突触）。（图/ucsd.edu）

出人意料的是，图像结果显示，在学习过程中，神经元上的突触并非都遵循同一套规则。这打破了长期以来的假设，即神经科学家以往认为神经元遵循“赫布规则”，即持续性地同时放电的神经元，会连接在一起。

但数据显示，同一个神经元在不同树突位置上的突触可以遵循不同的规则：一些突触确实遵循赫布规则；但另一些突触则可以完全独立于神经元活动。

这意味着，单个神经元可以在不同突触上并行使用不同的学习机制。通过这种方式，脑能够更精细地调整对不同类型输入的响应，更准确地编码新信息。换句话说，在学习过程中，神经元所采用的并非统一的规则，而是遵循不同的规则以实现信息处理的多任务能力。

  应用前景  

神经元在不同突触上可同时使用多套学习规则的发现，让研究人员感到震撼。这一发现不仅改变了我们对学习过程中神经元之间的联系是如何变化的理解，也可能对人类健康和人工智能技术带来深远影响。

许多神经系统疾病都与突触功能失调有关。例如，抑郁症可能源于某些脑区突触连接的异常削弱，导致脑无法处理快乐的体验。如果能够更清楚地理解健康脑中的突触可塑性的运作方式，科学家们便有可能开发出更有效的抑郁症疗法。

另一方面，这项研究也可能为人工智能的发展提供新思路。目前，人工智能背后的神经网络在很大程度上是受到脑的工作方式的启发。它们大多采用统一的学习规则来调整模型参数，虽然灵感来源于脑，但与脑的复杂学习机制仍有较大差距。研究揭示的“多规则学习”方式或许能为开发更高效、更智能、更生物逼真的人工系统提供新思路。

当然，从实验室的发现到应用于治疗仍有很长的路要走。科学家尚不清楚脑为何要在不同突触上使用不同规则，也不确定这种“多策略学习”是否会带来其他影响。未来的研究将有望回答这些问题，进一步揭示脑如何在微观层面上实现学习，从而推动我们对人类认知机制的整体理解。