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大腦可以通過“自言自語(yǔ)”學(xué)習(xí)?| Neuron論文推薦

 kevingiao 2019-02-14

圖片來(lái)源:utahpeoplespost.com


來(lái)源  University of Geneva

翻譯  阿金

審校  卓思琪

編輯  魏瀟


所有動(dòng)物都具備一定的學(xué)習(xí)能力,人類也不例外,甚至更加強(qiáng)大——這讓我們能理解新的感覺信息,從而掌握新技能、適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。但是,其中的科學(xué)原理我們?nèi)匀恢跎佟D壳跋到y(tǒng)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一,就是探索動(dòng)物適應(yīng)行為背后的腦內(nèi)突觸連接改變機(jī)制。


此前瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)的神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn),大腦皮層中的突觸學(xué)習(xí)機(jī)制依賴于大腦更深處區(qū)域的反饋。他們目前破解出了這個(gè)謎題:這些反饋是通過調(diào)控特定的抑制性神經(jīng)元來(lái)強(qiáng)化突觸連接的。這項(xiàng)研究發(fā)表在《神經(jīng)元》(Neuron)雜志上,不僅成為了探索知覺學(xué)習(xí)機(jī)制的重要里程碑,還可能為計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)系統(tǒng)和人工智能的發(fā)展提供思路。


皮層是最大的腦區(qū),位于大腦外層,它在高級(jí)認(rèn)知功能、復(fù)雜行為、知覺和學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)感覺刺激抵達(dá)大腦皮層的時(shí)候,皮層會(huì)加工并過濾這些信息,然后再傳送給其他相關(guān)腦區(qū)。部分相關(guān)腦區(qū)還會(huì)將信息反饋給皮層。整個(gè)循環(huán)過程稱為“反饋系統(tǒng)”(feedback system),是皮層網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮功能、適應(yīng)新的感覺信息所必不可少的一環(huán)。


“知覺學(xué)習(xí)是機(jī)體對(duì)刺激的高級(jí)響應(yīng)能力,在這一過程中神經(jīng)回路首先會(huì)評(píng)估接收到的感覺信息的重要性,然后改進(jìn)之后的信息處理方式。反饋系統(tǒng)從某種程度上來(lái)說,是來(lái)確認(rèn)負(fù)責(zé)傳遞信息的突觸是否正確地完成工作?!比諆?nèi)瓦大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)教授安東尼·霍特馬特(Anthony Holtmaat)解釋道。他是本項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者。


小鼠的觸須與反饋回路

小鼠鼻子兩邊的胡須專門用于感知觸覺信息,它在幫助動(dòng)物理解身邊的環(huán)境上發(fā)揮了重要作用。處理觸須感覺信息的大腦皮層不斷優(yōu)化其突觸,從而適應(yīng)新的觸覺環(huán)境。因此,它構(gòu)成了一個(gè)有趣的模型——該模型可用來(lái)探索反饋系統(tǒng)在突觸學(xué)習(xí)機(jī)制中的作用。


日內(nèi)瓦大學(xué)的科學(xué)家分離出了與觸須相關(guān)的反饋回路,并使用電極來(lái)測(cè)量皮層神經(jīng)元的電活性。然后他們通過刺激皮層中處理感覺信息的特殊區(qū)域,來(lái)模仿感覺信息的輸入;與此同時(shí),使用光來(lái)控制反饋回路。


“這種體外模型能讓我們獨(dú)立控制反饋回路、不受感覺輸入的干擾——在體模型就無(wú)法做到這一點(diǎn)。但如果要想了解兩者之間的相互作用,將感覺輸入和反饋回路隔斷開是非常有必要的。”霍特馬特補(bǔ)充說。


抑制性神經(jīng)元對(duì)信息的調(diào)控

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),分別觸發(fā)“感覺傳入”和“反饋回路”這兩部分時(shí),都會(huì)激活大范圍的神經(jīng)元。但同時(shí)觸發(fā)它們的時(shí)候,一些神經(jīng)元自身的活性就會(huì)降低。“這很有意思,當(dāng)感覺輸入和反饋回路同時(shí)被觸發(fā)時(shí),一些神經(jīng)元會(huì)受到抑制,而這些神經(jīng)元平時(shí)會(huì)抑制那些對(duì)感知覺來(lái)說相當(dāng)重要的神經(jīng)元——這就是我們所熟悉的‘對(duì)抑制的抑制’或者‘去抑制效應(yīng)(disinhibition)’?!蓖莵?lái)自日內(nèi)瓦大學(xué)醫(yī)學(xué)院的蓮娜·威廉姆斯(Leena Williams)解釋道,她也是該論文的第一作者。


“因此,這些神經(jīng)元就像一道門,一般情況下是關(guān)閉狀態(tài),將要進(jìn)入的信息擋在門外。但是當(dāng)反饋信息到來(lái)的時(shí)候,門就會(huì)打開,讓突觸接受這些主要的感覺信息來(lái)強(qiáng)化它們的連接強(qiáng)度。通過這項(xiàng)研究,我們明白了反饋回路如何通過優(yōu)化突觸連接,迎接即將到來(lái)的信息?!彼^續(xù)講到。


目前,研究者已經(jīng)識(shí)別出這套機(jī)制會(huì)涉及哪些神經(jīng)元,他們會(huì)在“現(xiàn)實(shí)生活”中對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行測(cè)試,從而檢驗(yàn)這些抑制神經(jīng)元是否能如預(yù)測(cè)所料那樣“行動(dòng)”——尤其是當(dāng)小鼠需要學(xué)習(xí)新的感覺信息、或者在它發(fā)現(xiàn)了觸覺環(huán)境“新大陸”的時(shí)候。


構(gòu)建人工智能

大腦回路如何優(yōu)化自身?系統(tǒng)如何通過讀取自己的活動(dòng)來(lái)自學(xué)?除了和動(dòng)物學(xué)習(xí)機(jī)制有關(guān),這些問題同樣是機(jī)器學(xué)習(xí)程序的核心問題。事實(shí)上,一些深度學(xué)習(xí)算法專家試圖模仿大腦回路來(lái)構(gòu)建人工智能系統(tǒng)。日內(nèi)瓦大學(xué)團(tuán)隊(duì)提供的思路可能與無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)有關(guān)(無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)分支,通過自身的回路模型、自我組織來(lái)優(yōu)化新信息的處理過程),這對(duì)創(chuàng)建更有效的語(yǔ)音或者面都識(shí)別程序至關(guān)重要。



論文信息


【標(biāo)題】Higher-Order Thalamocortical Inputs Gate Synaptic Long-Term Potentiation via Disinhibition

【作者】Leena E. Williams and Anthony Holtmaat

【時(shí)間】2018.11.12

【期刊】Neuron

【DOI】https:///10.1016/j.neuron.2018.10.049

【摘要】Sensory experience and perceptual learning changes receptive field properties of cortical pyramidal neurons (PNs), largely mediated by synaptic long-term potentiation (LTP). The circuit mechanisms underlying cortical LTP remain unclear. In the mouse somatosensory cortex, LTP can be elicited in layer 2/3 PNs by rhythmic whisker stimulation. We dissected the synaptic circuitry underlying this type of plasticity in thalamocortical slices. We found that projections from higher-order, posterior medial thalamic complex (POm) are key to eliciting N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR)-dependent LTP of intracortical synapses. Paired activation of cortical and higher-order thalamocortical inputs increased vasoactive intestinal peptide (VIP) and parvalbumin (PV) interneuron (IN) activity and decreased somatostatin (SST) IN activity, which together disinhibited the PNs. VIP IN-mediated disinhibition was critical for inducing LTP. This study reveals a circuit motif in which higher-order thalamic inputs gate synaptic plasticity via disinhibition. This motif may allow contextual feedback to shape synaptic circuits that process first-order sensory information.

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