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大脑如何通过自言自语来学习？

2019.1.04

　　人类和其他动物一样，拥有巨大的学习能力，能够理解新的感官信息，掌握新的技能或适应不断变化的环境。然而，许多使我们能够学习的机制仍然不清楚。系统神经科学的最大挑战之一是解释突触连接如何改变以支持适应性行为。瑞士日内瓦大学（UNIGE）的神经科学家先前表明，大脑皮层的突触学习机制依赖于大脑深层区域的反馈。他们现在已经精确地解释了这种反馈是如何通过开启和关闭特定的抑制神经元来实现突触增强的。这篇研究发表在Neuron杂志上，不仅是我们理解感知学习机制的一个重要里程碑，而且为计算机学习系统和人工智能提供了借鉴。

　　大脑皮层在大脑的外部，是大脑最大的区域，对于更高的认知功能、复杂的行为、感知和学习很重要。当感觉刺激到达时，大脑皮层将最相关的信息传递给其他大脑区域之前，对其信息进行处理和过滤。这些大脑区域中的一些反过来又将信息发送回大脑皮层。这些被称为“反馈系统”的回路被认为是大脑皮层网络功能和适应新的感觉信息所必需的。

　　“对于感知学习——对感觉刺激的反应能力的提高——神经回路需要首先评估传入感觉信息的重要性，然后改进未来处理它的方式。反馈系统在某种程度上证实了那些负责将信息传递到其他大脑区域的突触是正确的，” 指导这项研究的瑞士日内瓦大学医学院基础神经科学教授Anthony Holtmaat解释说。

　　胡须模型如何指引反馈系统细化

　　老鼠鼻子上的胡须专门用于触觉感知，在动物理解其直接环境的能力中起着重要作用。大脑皮层中处理胡须感官信息的部分不断优化其突触，以了解触觉环境的新方面。因此，它构成了一个有趣的模型来理解反馈系统在突触学习机制中的作用。

　　瑞士日内瓦大学科学家们分离出与胡须相关的反馈电路，并用电极测量皮层神经元的电活动。然后，他们通过刺激大脑皮层中处理这些信息的特定部分来模拟感官输入，同时利用光来控制反馈电路。

　　“这种离体模型使我们能够独立于感觉输入来控制反馈，这在体内是不可能做到的。然而，将感觉输入与反馈断开是理解这两种相互作用如何导致突触增强的关键，”Holtmaat补充说。

　　抑制神经元对信息进行屏蔽

　　研究小组发现，当两种成分分别被触发时，它们会激活广泛的神经元。然而，当同时被激活时，一些神经元实际上会降低它们的活动。“有趣的是，当感觉输入和反馈同时发生时，被抑制的神经元通常抑制对感知很重要的神经元，这被称为抑制或去抑制，”该文章的第一作者，瑞士日内瓦大学医学院Leena Williams解释说。“因此，这些神经元就像是输入信息的门，通常是关闭的。但是当反馈进入时，门被打开，允许那些负责初级感觉信息的突触增加它们的强度。通过这项研究，我们已经确定了反馈如何优化突触连接，以便更好地为将来的信息做准备。”

　　既然他们已经准确地确定了哪些神经元参与了这一机制，科学家将在“现实生活”中测试他们的结果，以检查当一只老鼠需要学习新的感官信息或在其触觉环境中发现新的方面时，抑制神经元是否会像预期的那样行为。

　　深度学习：模仿自然智能

　　大脑回路如何自我优化？一个系统如何通过读懂它自己的活动来自学？除了与动物学习相关之外，这个问题也是机器学习计划的核心。事实上，一些深度学习专家试图模仿大脑回路来构建人工智能系统。瑞士日内瓦大学团队提供的见解可能与无监督学习有关，无监督学习是机器学习的一个分支，它使用能够自我组织和优化新信息处理的电路模型。例如，这对于创建高效的语音或人脸识别程序很重要。

大脑自言自语

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周锦帆