如果眼前擺放著一塊香噴噴的奶酪,，小老鼠通常會(huì)興沖沖地奔向美味。但如果奶酪旁有一只兇相畢露的貓呢,？小老鼠會(huì)做出怎樣的選擇,？它的大腦內(nèi)經(jīng)歷了怎樣的“風(fēng)暴”？如今,，大腦發(fā)生“風(fēng)暴”的特定區(qū)域,，已經(jīng)被科學(xué)家重點(diǎn)標(biāo)記并反復(fù)驗(yàn)證——
不久前，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所研究員朱英杰與美國(guó)斯坦福大學(xué)生物系教授陳曉科合作發(fā)現(xiàn),，大腦存在一個(gè)動(dòng)態(tài)評(píng)估外界信息重要性的關(guān)鍵腦區(qū)——丘腦室旁核（PVT）,，該腦區(qū)能夠在不同環(huán)境和生理狀態(tài)下評(píng)估事件的重要性，從而幫助我們做出恰當(dāng)選擇,。
他們利用光遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合電生理和光纖記錄技術(shù)首次發(fā)現(xiàn),，在小鼠大腦中，存在一群神經(jīng)元能夠編碼外界信息的重要性（即“生物學(xué)顯著性”）,。這些位于大腦中部PVT腦區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng),，能夠反映外界刺激的重要性,，并且隨內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境而動(dòng)態(tài)變化，從而控制學(xué)習(xí)能力,。該研究成果已以長(zhǎng)文形式發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》雜志,。
“判斷信息的重要性是一個(gè)高級(jí)的大腦功能，它能夠幫助人們更好地適應(yīng)環(huán)境,，也控制著人們的注意力和學(xué)習(xí)能力,。這一發(fā)現(xiàn)為人們未來(lái)研究如何提高大腦的認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力奠定了重要基礎(chǔ)，對(duì)普通人群和腦疾病患者的認(rèn)知與治療均具有突破性意義,?！敝煊⒔鼙硎尽?/p>
大腦中存在對(duì)信息重要性進(jìn)行評(píng)估的腦區(qū)
每時(shí)每刻,，我們都會(huì)接受大量信息的“轟炸”,，為何你會(huì)從海量信息中提取出最重要的信息，并據(jù)此做出反應(yīng),？
“這是大腦信息處理面臨的一個(gè)基本問題,。”朱英杰表示,，此前,，國(guó)際科學(xué)界普遍認(rèn)為PVT調(diào)控負(fù)性情緒，但他們針對(duì)同一腦區(qū),，通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證顛覆性提出——PVT動(dòng)態(tài)編碼事件重要性的概念,。
“這項(xiàng)重要研究拓展了我們對(duì)丘腦功能的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了影響學(xué)習(xí)和記憶的重要神經(jīng)機(jī)制,。該工作將引起腦認(rèn)知和腦疾病研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,，并吸引更多研究者探索PVT這一重要腦區(qū)的功能?！泵绹?guó)三院院士,、斯坦福大學(xué)終身教授羅伯特·馬倫卡評(píng)價(jià)道。
研究中,，科研人員首先訓(xùn)練小鼠進(jìn)行嗅覺巴甫洛夫條件性學(xué)習(xí),，將不同氣味刺激與獎(jiǎng)賞（水）或者懲罰（吹氣）偶聯(lián)起來(lái)，隨后他們發(fā)現(xiàn),，位于大腦中部的PVT神經(jīng)元能夠被重要事件所激活,，無(wú)論是獎(jiǎng)賞還是懲罰性刺激?？蒲腥藛T還發(fā)現(xiàn),，小鼠對(duì)氣味的反應(yīng)也很耐人尋味——他們首次為小鼠呈現(xiàn)了小鼠不喜不厭的中性氣味，如果是第一次呈現(xiàn)該氣味，則能夠激活PVT,；但如果該氣味反復(fù)出現(xiàn),，并且沒有伴隨任何后果時(shí)，PVT反應(yīng)逐漸消失,；當(dāng)該氣味與獎(jiǎng)賞或懲罰偶聯(lián)起來(lái)時(shí),，PVT又能被激活。此外,，PVT被激活的幅度也能反映刺激的強(qiáng)度——兩滴水的獎(jiǎng)賞比一滴水的獎(jiǎng)賞能夠更好地激活PVT,。
“這是首次發(fā)現(xiàn)在丘腦中存在能反映外界刺激重要性的神經(jīng)元?！闭撐耐ㄓ嵶髡哧悤钥票硎?。
在活動(dòng)中的動(dòng)物身上開展多通道電生理記錄技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，對(duì)于朱英杰來(lái)說(shuō)是第一次,。2016年,，在實(shí)驗(yàn)初期,，他遇到了不少技術(shù)難題,，比如小鼠運(yùn)動(dòng)時(shí)帶來(lái)的電噪音太大，等等,。因此,，他不得不跑到其他實(shí)驗(yàn)室求教，還走了一些彎路,，才逐一攻克難題,。
“此項(xiàng)研究十分復(fù)雜而精巧，研究結(jié)果表明,，丘腦的一個(gè)特殊核團(tuán)——丘腦室旁核,，在追蹤外界刺激的顯著性方面發(fā)揮著重要作用。而大腦正是利用這些信息來(lái)學(xué)習(xí)如何衡量外界刺激,，并對(duì)某些刺激采取忽略或避免,。”羅伯特·馬倫卡說(shuō),，此前人們一直認(rèn)為,，丘腦主要參與處理環(huán)境中的感覺刺激，國(guó)際科學(xué)界對(duì)PVT的研究多與焦慮,、恐懼,、抑郁等負(fù)面情感有關(guān)，而這項(xiàng)研究論述了丘腦如何在不同形式的學(xué)習(xí)記憶過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,。由此可以預(yù)見,，許多常見的腦疾病很可能也涉及了丘腦室旁核的功能異常,，如藥物成癮和抑郁癥等,。
大腦會(huì)針對(duì)內(nèi)外環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)
在完成實(shí)驗(yàn)第一步之后,，朱英杰一直在苦思冥想：神經(jīng)細(xì)胞編碼信息重要性的意義究竟何在,？如何深挖這種響應(yīng)機(jī)制？隨后,，他們通過(guò)改變內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境,，進(jìn)一步研究了該機(jī)制在面對(duì)內(nèi)外環(huán)境變化后的動(dòng)態(tài)響應(yīng),。
研究表明，外界刺激的顯著性（重要性）不僅取決于刺激本身的物理特征,，也與動(dòng)物的內(nèi)在生理狀態(tài)和所處的外部環(huán)境有關(guān)。
例如,，當(dāng)小老鼠饑腸轆轆時(shí),，食物對(duì)它來(lái)說(shuō)就是非常重要的資源；但當(dāng)它酒足飯飽之后,，食物的誘惑性就要大打折扣,。另外，外部環(huán)境的變化也影響著事件的重要性,，即使小鼠饑腸轆轆,，食物就在眼前，但如果有只貓守在食物旁,，這時(shí)貓的顯著性（重要性）就要大于食物,，小鼠就會(huì)壓制對(duì)食物的沖動(dòng)，首先躲避貓,。
他們通過(guò)光纖成像記錄技術(shù)和單細(xì)胞電生理記錄技術(shù)從不同角度反復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),，PVT神經(jīng)元的活動(dòng)能夠根據(jù)動(dòng)物內(nèi)在生理狀態(tài)和外部環(huán)境，動(dòng)態(tài)反映動(dòng)物對(duì)重要性的判斷,。
此外,，他們還在研究中發(fā)現(xiàn)了PVT腦區(qū)對(duì)于“預(yù)期獎(jiǎng)勵(lì)落空”存在動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制。也就是說(shuō),，當(dāng)每天小鼠到冰箱前都能發(fā)現(xiàn)一塊奶酪時(shí)，它已經(jīng)習(xí)慣了這種獎(jiǎng)賞,。但是有一天,，當(dāng)小鼠到冰箱前卻沒有看到奶酪時(shí)，它的“心理失落感”會(huì)激活PVT。
然而,，由于動(dòng)物具有消退學(xué)習(xí)能力,，即它如果習(xí)慣了冰箱前沒有奶酪，就會(huì)逐漸習(xí)慣于這種失落感而停止該行為,。就好比夫妻之間的“七年之癢”，如果一直習(xí)慣了對(duì)方的存在,，PVT反應(yīng)也會(huì)趨于平淡,，這時(shí),，夫妻就可能過(guò)成了“家人”。但如果一旦有外界環(huán)境的刺激,，又可能會(huì)重新激活初戀時(shí)的“心動(dòng)感”,。
不過(guò)，科研人員也發(fā)現(xiàn),，如果他們控制小鼠的PVT活動(dòng)，其消退學(xué)習(xí)的過(guò)程會(huì)變得更慢,。朱英杰說(shuō),，“不妨做一個(gè)假設(shè),，人為干預(yù)可能會(huì)減緩感情消退的過(guò)程,。讓PVT活動(dòng)保持平穩(wěn),，夫妻之間也許可以一直有‘心動(dòng)感’”,。
人為干預(yù)可提升注意力和學(xué)習(xí)能力
自2017年加入中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院以來(lái)，朱英杰一直致力于深入研究大腦對(duì)信息重要性的評(píng)估機(jī)制,。“僅僅找出數(shù)據(jù),、發(fā)現(xiàn)機(jī)制不是全部，我們的最終目標(biāo)是要解決問題,，讓科學(xué)研究能夠‘研之有用’。”朱英杰說(shuō),。
對(duì)信息重要性的評(píng)估有助于將注意力集中于重要事件，從而提高對(duì)該事件的學(xué)習(xí)能力,。研究人員利用光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控發(fā)現(xiàn)，PVT控制著小鼠學(xué)習(xí)的速率和效果,。在嗅覺巴甫洛夫條件性學(xué)習(xí)中，小鼠能夠?qū)W會(huì)氣味跟水獎(jiǎng)勵(lì)的偶聯(lián),，表現(xiàn)為預(yù)期性的舔水。在人為利用光遺傳技術(shù)抑制PVT活動(dòng)之后,，這種偶聯(lián)性學(xué)習(xí)的速率和效果都大大受損。這說(shuō)明,，PVT的活動(dòng)對(duì)于學(xué)習(xí)能力非常重要,。
隨著人工智能發(fā)展，以深度學(xué)習(xí)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)方法正在視聽覺感知上媲美甚至超越人類,。但在2018年8月召開的第S43次香山科學(xué)會(huì)議上,，中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)所蒲慕明院士指出，與人腦學(xué)習(xí)能力相比,，機(jī)器學(xué)習(xí)在可解釋性,、推理能力、舉一反三能力等方面,，存在明顯差距,。
發(fā)展類腦智能，讓機(jī)器向人學(xué)習(xí),，是提升人工智能水平的重要方向,。香港科技大學(xué)葉玉如院士也指出：“目標(biāo)是在多個(gè)層面，理論上模擬大腦的機(jī)制和結(jié)構(gòu),，開發(fā)一個(gè)更具有普遍性的人工智能以應(yīng)對(duì)包括多任務(wù),、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等方面的挑戰(zhàn)?！?/p>
近年來(lái),，腦科學(xué)研究正在從傳統(tǒng)的“讀腦”向“控腦”轉(zhuǎn)換。此項(xiàng)研究工作正是對(duì)PVT腦區(qū)的“讀”與“控”,。
“未來(lái)我們將進(jìn)一步研究，是否可以通過(guò)增強(qiáng)PVT活動(dòng)來(lái)提高人們的注意力,，增強(qiáng)人們的學(xué)習(xí)能力，這將為轉(zhuǎn)化應(yīng)用打開一扇窗口,。”朱英杰表示,。
此外，該大腦機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)或許會(huì)為未來(lái)類腦智能與人工智能技術(shù)的結(jié)合提供新的研究思路,。例如，在大數(shù)據(jù)時(shí)代,，如何從海量信息中尋找重要的有效信息？在一萬(wàn)張人臉中,，如何通過(guò)一個(gè)生物學(xué)特征快速準(zhǔn)確識(shí)別出你想要找的那個(gè)人,？這都需要尋找到背后的生物學(xué)原理,。業(yè)內(nèi)專家表示,，通過(guò)研究大腦如何動(dòng)態(tài)評(píng)估外界信息重要性、生物學(xué)顯著性的內(nèi)在機(jī)制,，對(duì)未來(lái)發(fā)展類腦智能、增強(qiáng)腦機(jī)融合,，推動(dòng)人工智能技術(shù)的跨越發(fā)展都將有重要意義,。
