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科学大家|学习还是出去玩?大脑如何筛选出最重要信息

出品 | 新浪科技《科学大家》

撰文 | 朱英杰 中国科学院深圳先进技术研究院研究员

学习还是出去玩?大脑如何筛选出最重要信息

如果有一块香喷喷的奶酪摆在面前,任哪只小老鼠,都会兴致冲冲地奔向美味。但如果奶酪旁冒出一只面露凶相的猫呢,老鼠会做出怎样的选择?食物和生命,哪个更重要?以往,人们认为这种选择理所当然。

我和美国斯坦福大学生物系教授陈晓科合作发现,大脑存在一个动态评估外界信息重要性的关键脑区——丘脑室旁核(PVT),该脑区能够在不同环境和生理状态下评估事件的重要性从而帮助我们做出恰当选择。

利用光遗传学技术结合电生理和光纤记录技术,我们首次发现在小鼠大脑中存在一群神经元能够编码外界信息的重要性(即生物学显著性),这些位于大脑中部PVT脑区的神经元活动能够反映外界刺激的重要性,并且随内在生理状态和外部环境而动态地变化,从而控制学习能力。

判断信息的重要性是一个高级的大脑功能,它能够帮助人们更好地适应多变的环境,也控制着人们的注意力和学习能力。这一发现为人们未来研究如何提高大脑的认知和学习能力奠定了基础,并有望对普通人群和脑疾病患者的认知与治疗做出贡献。

大脑是如何筛选出最重要的信息?

我们每时每刻都会接受大量信息的轰炸,为什么你会从海量信息中抽提出对你最重要的信息,并据此做出合适反应?

这是大脑信息处理面临的一个基本问题。此前,我们已经发现大脑中存在可以用于戒除毒瘾的全新神经通路,而本次研究正是针对同一脑区的再次突破,之前国际科学界普遍认为PVT调控负性情绪,我们通过实验论证颠覆性提出PVT动态编码事件重要性的概念。

在研究中,我们首先训练小鼠进行嗅觉巴浦洛夫条件性学习,将不同的气味刺激跟奖赏(水)或者惩罚(吹气或电击)偶联起来,发现位于大脑中部的丘脑室旁核(PVT)神经元能够被重要的事件所激活,无论是奖赏还是惩罚性刺激都能激活PVT。

另外,我们发现小鼠对气味的反应也很有意思。通过为小鼠呈现了小鼠不喜不厌的中性气味,如果是第一次呈现该气味,则能够激活PVT;但是如果该气味反复出现并且没有伴随任何后果时,PVT反应逐渐消失;当该气味与奖赏或惩罚偶联起来时,PVT又能被激活。此外,PVT被激活的幅度也能反映刺激的强度。两滴水的奖赏比一滴水的奖赏能够更好地激活PVT,强烈的惩罚(电击)比微弱的惩罚(吹气)能够诱发更大的PVT反应。

陈晓科教授表示,这是科学家第一次发现在丘脑中存在能反映外界刺激重要性的神经元。

在活动的动物上进行多通道电生理记录技术,是我们在实验中遇到的第一个难题。2016年实验最开始时,很多技术上的困难需要一一克服,比方说小鼠运动时带来的电噪音太大。为此我跑到其他实验室求教,制作电极、进行电镀、调整参考电极和地线,花了一两个月的时间才解决这个技术难题。

由于最开始选择的是光纤记录技术,虽然也能看到类似的现象,但由于该技术无法达到单细胞分辨率,不够细致,因此我们又额外花了半年时间,用分辨率更高的电生理记录技术再次验证了这一现象。

抑制消退学习帮你度过“七年之痒”

在发现了大脑中存在对信息重要性评估的脑区的基础上,那么该如何深挖这种响应机制呢,它又会具有怎样的意义呢?

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,也跟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;但是当它酒足饭饱之后,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,但如果有只猫在食物旁边,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。

我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。

同样是用于奖赏的水,该信息能够在饥渴的小鼠上诱发更大的PVT反应。当小鼠处于较弱的惩罚(吹气)环境时,水的奖赏信息能够诱发很大的PVT反应;但是如果切换到较强的惩罚(电击)环境中,同样是水的奖赏信息,只能激发较小的PVT反应。这说明PVT的活动能够反映奖赏的相对重要性(显著性)。

我们也在研究中发现了PVT脑区对于预期奖励落空(Reward Omission)存在动态评估机制。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,有一天当小鼠去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进行该行为。就好比夫妻的“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“心跳感”。

不过,我们也发现,如果抑制小鼠的PVT活动,其消退学习的过程则会变得更慢。针对上述例子,人为干预也可能会减缓感情消退的过程,使夫妻双方一直保持“心动感”。

有望应用于类脑人工智能技术?

以前,国际科学界对丘脑室旁核(PVT)的研究多是与人们的焦虑、恐惧、抑郁等负面情感有关。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。

我们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。在嗅觉巴浦洛夫条件性学习中,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是非常重要的。

近年来,脑科学研究正在从传统的“读脑”向“控脑”转换。未来我们将进一步研究,是否可以通过增强PVT活动来提高人们的注意力、增强人们的学习能力,这将为转化应用打开一扇窗口。

此外,该大脑机制的研究发现也可能会未来类脑智能与人工智能技术的结合提供新的研究思路。

在大数据时代,如何从海量信息中寻找重要的有效信息?在一万张人脸中,如何通过一个生物学特征快速准确识别出你想要找的那个人?需要寻找到其背后的生物学原理。因此,通过研究大脑如何动态评估外界信息重要性、生物学显著性的内在机制,对于未来发展类脑智能、增强脑机融合,推动人工智能技术的跨越发展具有重要意义。(图片为编辑配图,来源于网络)

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