我国学者揭秘大脑“举一反三”能力新机制

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来源：科技日报

科技日报记者 张佳星

会打网球的人能更快上手羽毛球，掌握一种解题思路后能轻松应对同类题目，大脑是如何复用已有知识，做到“举一反三”的呢？

近日，中国科学院自动化研究所联合解放军总医院第九医学中心、吉林大学第一医院的研究团队，为这一问题给出了关键答案。团队首次发现，灵长类大脑会通过领域特异性的图式复用，以及近乎正交的神经表征空间组织，巧妙平衡学习的稳定性与灵活性。相关研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

据介绍，研究团队以三只雄性猕猴为实验对象，围绕背外侧前运动皮层展开研究，记录下猕猴脑区中728个神经单元的活动信号，分析其神经活动与学习行为的关联性。

研究发现，猕猴在学习相似的新任务时，速度会随训练推进显著提升，复习旧任务的效率大幅提高，但面对与原有规则相悖的反向配对任务时，猕猴的学习速度则明显变慢，远低于学习同类新任务的效率。这一结果证实，灵长类动物和人类一样，能提取任务中的抽象决策规则并迁移复用，而当新任务与原有知识冲突时，这种复用会失效，大脑需要重新适应。

通过对神经活动的深入分析，研究团队发现猕猴背外侧前运动皮层的神经群体活动，会自发形成两个近乎正交的表征空间，即决策子空间和刺激子空间，两个空间互不干扰，分别承担不同的功能。决策子空间具有高度稳定性，会形成可复用的神经相关图式，专门编码任务的核心决策逻辑，即便视觉图案发生变化，只要决策规则不变，大脑就会直接复用这一稳定的神经模式；刺激子空间则保持高度灵活性，专门编码当前任务的具体视觉刺激特征，能快速适配全新的外部视觉信息，且不会受到决策子空间的干扰。

研究团队通过实验验证了两个子空间的功能关联，两个子空间的近乎正交性，让稳定的知识存储与灵活的全新信息编码得以同时实现，彻底避免了“学新忘旧”或“守旧难学新”的问题。

值得注意的是，学界此前仅在海马体、前额叶皮层等负责高级认知的脑区发现过神经相关图式，而本次研究在负责运动与决策的背外侧前运动皮层也发现了这一模式，表明领域特异性的图式复用并非属于某个脑区，而是灵长类大脑普遍的神经组织原则。

论文通讯作者之一、解放军总医院第九医学中心顾建文教授表示，该机制的发现从创新的角度解析了大脑“学会学习”的机制机理。在此基础上，借鉴大脑的正交表征空间策略，让AI将核心的规则知识放在专门的“决策领域”稳定保存，同时用独立的“刺激领域”处理新的具体信息，有望助力AI具备像人类大脑一样快速学习、灵活适应的能力。

本研究的共同第一作者为中国科学院自动化研究所博士研究生田凯茜、吉林大学第一医院赵智宇医生及中国科学院自动化研究所陈阳副研究员，中国科学院自动化研究所余山研究员与解放军总医院第九医学中心顾建文教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目、中国科学院青年科学家基础研究项目等多项基金资助。

（研发团队供图）