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。該研究成果已以長文形式發(fā)表于國際頂級(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。”朱英杰表示。

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。”美國三院院士、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，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，無論是獎(jiǎng)賞還是懲罰性刺激。科研人員還發(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。”論文通訊作者陳曉科表示。

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)于朱英杰來說是第一次。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，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)它來說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，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，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)的過程會(huì)變得更慢。朱英杰說，“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年加入中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院以來，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。

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)。”

近年來，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”。

“未來我們將進(jìn)一步研究，是否可以通過增強(qiáng)PVT活動(dòng)來提高人們的注意力，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？在一萬張人臉中，如何通過一個(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。