Nature：復(fù)雜思維并非人類獨(dú)有，老鼠通過非凡的抽象能力，來掌握復(fù)雜思維
隨著科技的發(fā)展，人臉識別、識圖辨物等人工智能已經(jīng)走入大眾的日常生活，這些識圖軟件大多都是基于深度學(xué)習(xí)算法和海量數(shù)據(jù)集，對圖片和視頻源中面部或物體特征進(jìn)行提取分析，以此識別人物身份和物體名稱。
十分有趣的是，對于人工智能來說，識別人臉或物體是一項(xiàng)十分復(fù)雜的任務(wù)，但對于高等哺乳動物而言，卻是一個十分簡單的問題，雖然具體的學(xué)習(xí)過程可能涉及復(fù)雜的神經(jīng)元重建和腦區(qū)活動。令遺憾的是，這些學(xué)習(xí)過程的具體形成機(jī)制一直未被解釋。2021年4月21日，馬克斯·普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所的研究人員在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Mouse prefrontal cortex represents learned rules for categorization 的研究論文。該研究表明，小鼠具有十分驚人的分類能力，在學(xué)習(xí)過程中，小鼠前額葉皮層神經(jīng)元在獲取類別選擇性時(shí)表現(xiàn)出不同的動態(tài)，并在隨后的規(guī)則轉(zhuǎn)換中表現(xiàn)出不同的參與度，以此證明了抽象信息在神經(jīng)元水平上是如何表現(xiàn)的。舉個例子，一個蹣跚學(xué)步的孩子可能很容易就能從新的圖畫書中識別出見過的物體，譬如“椅子”。孩子做了正確的決定，這似乎并不是特別值得注意，但這必然經(jīng)過一個復(fù)雜的歸類和辨認(rèn)的過程：孩子必須把書中描繪的椅子和他已經(jīng)知道的椅子聯(lián)系起來，即使它們可能有不同的形狀或顏色。該研究的第一作者Sandra Reinert對此解釋道：“每當(dāng)孩子遇到椅子，他都會儲存這種經(jīng)歷。根據(jù)椅子之間的相似性，孩子的大腦會通過形成“椅子”這一類別來抽象椅子的屬性和功能，從而讓他能夠很快地將新椅子與其所包含的類別和知識聯(lián)系起來?！?/section>實(shí)際上，我們的大腦會不斷地對事物進(jìn)行分類，不僅是童年時(shí)期的椅子，還可以是任何信息。那么，這會給我們帶來什么樣的好處呢？該研究的通訊作者 Pieter Goltstein 說道：“我們的大腦試圖找到一種方法來簡化和描述現(xiàn)實(shí)世界。如果沒有分類，我們就不能像現(xiàn)在這樣高效地與環(huán)境互動。換句話說，如果失去這種能力，我們就必須學(xué)會辨認(rèn)每一把新遇到的椅子。因此，對感覺輸入進(jìn)行分類對生物來說是至關(guān)重要的，但大腦的這個潛在過程在很大程度上是未知的?！?/section>在此項(xiàng)研究中，Pieter Goltstein 及其領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于研究大腦如何存儲抽象信息，如學(xué)習(xí)類別。由于這很難在人類身上進(jìn)行研究，研究人員測試了小鼠是否以類似于我們的方式分類。為了做到這一點(diǎn)，研究人員向小鼠展示了不同的條紋圖案圖片，并給它們一個分類規(guī)則。其中一組動物必須根據(jù)條紋的厚度將圖片分成兩類，而另一組則根據(jù)圖片的朝向?qū)⑵浞诸悺?/section>研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些小鼠能夠?qū)W習(xí)各自的規(guī)則，并可靠地將圖片分類到正確的類別。更令人驚訝的是，在最初的訓(xùn)練階段之后，這些小鼠甚至可以把之前沒見過的條紋圖案歸類為正確的類別——就像拿到新書的孩子一樣。不僅如此，當(dāng)研究人員轉(zhuǎn)換分類規(guī)則之后，小鼠可以忽略此前學(xué)過的東西，并根據(jù)新的規(guī)則重新分類圖片———這正是我們?nèi)祟愒趯W(xué)習(xí)新事物時(shí)一直在做的事情。因此，這項(xiàng)研究首次證明了小鼠在何種程度上、以何種精度進(jìn)行分類，并具有接近人類的抽象能力！值得注意的是，在分類學(xué)習(xí)過程中，哺乳動物大腦新皮質(zhì)的幾個區(qū)域都發(fā)現(xiàn)了顯示類別選擇性的神經(jīng)元，其中前額葉皮層似乎在這方面扮演著重要的角色。基于此，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了小鼠大腦分類的基礎(chǔ)，他們將研究重點(diǎn)放在大腦的前額葉皮層上，這也是人類參與復(fù)雜思維過程的大腦區(qū)域。研究結(jié)果顯示，當(dāng)小鼠把條紋圖案分類時(shí)，這一區(qū)域的某些神經(jīng)元會變得十分活躍。更有趣的是，不同的神經(jīng)元組會對不同的類別做出選擇性的反應(yīng)。小鼠前額葉皮層中的單個神經(jīng)元產(chǎn)生類別選擇反應(yīng)
馬克斯·普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所主任 Tobias Bonhoeffer 表示：“小鼠大腦中分類選擇神經(jīng)元的發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵點(diǎn)。這使我們第一次能夠觀察到這些神經(jīng)元從類別學(xué)習(xí)開始到結(jié)束的活動。這表明神經(jīng)元不是立即獲得選擇性，而是在學(xué)習(xí)過程中逐漸發(fā)展?！?/section>科學(xué)家們認(rèn)為，只有當(dāng)獲得的知識從短期記憶轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期記憶時(shí)，前額葉皮質(zhì)中的分類選擇性神經(jīng)元才會發(fā)揮作用。在那里，這些細(xì)胞將分類作為語義記憶的一部分儲存起來，而語義記憶是所有事實(shí)知識的集合。研究團(tuán)隊(duì)反復(fù)成像小鼠前額葉皮層的單個細(xì)胞，以此研究神經(jīng)元類別表征在整個學(xué)習(xí)過程中的形成。他們發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)過程中，前額葉皮層神經(jīng)元在獲取類別選擇性時(shí)表現(xiàn)出不同的動態(tài)，并在隨后的規(guī)則轉(zhuǎn)換中表現(xiàn)出不同的參與度。部分神經(jīng)元有選擇地、獨(dú)特地對類別作出反應(yīng)，并反映泛化行為。小鼠的前額葉皮層包含獨(dú)特的類別調(diào)節(jié)神經(jīng)元
因此，小鼠前額葉皮層中的類別表征是在學(xué)習(xí)過程中逐漸獲得的，而不是臨時(shí)招募的。同時(shí)，這個漸進(jìn)的過程表明，前額葉皮層的神經(jīng)元是視覺類別特定語義記憶的一部分。值得注意的是，學(xué)習(xí)類別是大腦簡化現(xiàn)實(shí)世界的一種方式，但這也意味著這些類別不一定會正確地反映現(xiàn)實(shí)。在復(fù)雜的自然環(huán)境中，動物將感官刺激進(jìn)行分類的能力對其生存是至關(guān)重要的，學(xué)會記憶類別而不僅僅是單個的例子，使得擁有分類能力的動物表現(xiàn)出更好的行為靈活性和計(jì)算優(yōu)勢。這項(xiàng)研究證實(shí)了小鼠也具有強(qiáng)大的分類能力，可以根據(jù)既定的規(guī)則將條紋圖案高效地識別并分類。這一分類能力是在學(xué)習(xí)過程中逐漸獲得的，并與大腦的前額葉皮層的神經(jīng)元活動密切相關(guān)，由此揭示了高等哺乳動物的分類能力的具體形成機(jī)制。通過研究小鼠的類別學(xué)習(xí)，該研究為抽象思維的神經(jīng)元基礎(chǔ)增加了重要的細(xì)節(jié)，并提醒我們復(fù)雜的思維不僅僅是人類的專屬能力。https://www.nature.com/articles/s41586-021-03452-z
本站僅提供存儲服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請
點(diǎn)擊舉報(bào)。
