大脑是怎么传递信息的 我们的大脑如何为信息排序

来源:经济日报

中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员朱英杰在做实验。 本报记者 喻 剑摄

图为荧光标记的丘脑室旁核（PVT）。

（资料图片）

如果眼前摆放着一块香喷喷的奶酪，小老鼠通常会兴冲冲地奔向美味。但如果奶酪旁有一只凶相毕露的猫呢？小老鼠会做出怎样的选择？它的大脑内经历了怎样的“风暴”？如今，大脑发生“风暴”的特定区域，已经被科学家重点标记并反复验证——

不久前，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员朱英杰与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。

他们利用光遗传学技术结合电生理和光纤记录技术首次发现，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变化，从而控制学习能力。该研究成果已以长文形式发表于国际顶级期刊《科学》杂志。

“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重要基础，对普通人群和脑疾病患者的认知与治疗均具有突破性意义。”朱英杰表示。

大脑中存在对信息重要性进行评估的脑区

每时每刻，我们都会接受大量信息的“轰炸”，为何你会从海量信息中提取出最重要的信息，并据此做出反应？

“这是大脑信息处理面临的一个基本问题。”朱英杰表示，此前，国际科学界普遍认为PVT调控负性情绪，但他们针对同一脑区，通过实验论证颠覆性提出——PVT动态编码事件重要性的概念。

“这项重要研究拓展了我们对丘脑功能的认识，发现了影响学习和记忆的重要神经机制。该工作将引起脑认知和脑疾病研究领域的广泛关注，并吸引更多研究者探索PVT这一重要脑区的功能。”美国三院院士、斯坦福大学终身教授罗伯特·马伦卡评价道。

研究中，科研人员首先训练小鼠进行嗅觉巴甫洛夫条件性学习，将不同气味刺激与奖赏（水）或者惩罚（吹气）偶联起来，随后他们发现，位于大脑中部的PVT神经元能够被重要事件所激活，无论是奖赏还是惩罚性刺激。科研人员还发现，小鼠对气味的反应也很耐人寻味——他们首次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。

“这是首次发现在丘脑中存在能反映外界刺激重要性的神经元。”论文通讯作者陈晓科表示。

在活动中的动物身上开展多通道电生理记录技术应用实验，对于朱英杰来说是第一次。2016年，在实验初期，他遇到了不少技术难题，比如小鼠运动时带来的电噪音太大，等等。因此，他不得不跑到其他实验室求教，还走了一些弯路，才逐一攻克难题。

“此项研究十分复杂而精巧，研究结果表明，丘脑的一个特殊核团——丘脑室旁核，在追踪外界刺激的显著性方面发挥着重要作用。而大脑正是利用这些信息来学习如何衡量外界刺激，并对某些刺激采取忽略或避免。”罗伯特·马伦卡说，此前人们一直认为，丘脑主要参与处理环境中的感觉刺激，国际科学界对PVT的研究多与焦虑、恐惧、抑郁等负面情感有关，而这项研究论述了丘脑如何在不同形式的学习记忆过程中发挥关键作用。由此可以预见，许多常见的脑疾病很可能也涉及了丘脑室旁核的功能异常，如药物成瘾和抑郁症等。

大脑会针对内外环境变化动态调节

在完成实验第一步之后，朱英杰一直在苦思冥想：神经细胞编码信息重要性的意义究竟何在？如何深挖这种响应机制？随后，他们通过改变内在生理状态和外部环境，进一步研究了该机制在面对内外环境变化后的动态响应。

研究表明，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，也与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，但如果有只猫守在食物旁，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。

他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。

此外，他们还在研究中发现了PVT脑区对于“预期奖励落空”存在动态评估机制。也就是说，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该行为。就好比夫妻之间的“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“心动感”。

不过，科研人员也发现，如果他们控制小鼠的PVT活动，其消退学习的过程会变得更慢。朱英杰说，“不妨做一个假设，人为干预可能会减缓感情消退的过程。让PVT活动保持平稳，夫妻之间也许可以一直有‘心动感’”。

人为干预可提升注意力和学习能力

自2017年加入中国科学院深圳先进技术研究院以来，朱英杰一直致力于深入研究大脑对信息重要性的评估机制。“仅仅找出数据、发现机制不是全部，我们的最终目标是要解决问题，让科学研究能够‘研之有用’。”朱英杰说。

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。研究人员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。在嗅觉巴甫洛夫条件性学习中，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非常重要。

随着人工智能发展，以深度学习为代表的机器学习方法正在视听觉感知上媲美甚至超越人类。但在2018年8月召开的第S43次香山科学会议上，中国科学院神经科学所蒲慕明院士指出，与人脑学习能力相比，机器学习在可解释性、推理能力、举一反三能力等方面，存在明显差距。

发展类脑智能，让机器向人学习，是提升人工智能水平的重要方向。香港科技大学叶玉如院士也指出：“目标是在多个层面，理论上模拟大脑的机制和结构，开发一个更具有普遍性的人工智能以应对包括多任务、自学习和自适应等方面的挑战。”

近年来，脑科学研究正在从传统的“读脑”向“控脑”转换。此项研究工作正是对PVT脑区的“读”与“控”。

“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。”朱英杰表示。

此外，该大脑机制的研究发现或许会为未来类脑智能与人工智能技术的结合提供新的研究思路。例如，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？这都需要寻找到背后的生物学原理。业内专家表示，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都将有重要意义。