网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

Nature|脑机接口揭示:神经元树突的差异性学习机制

0
分享至


认知神经科学前沿文献分享


基本信息

Title:Vectorized instructive signals in cortical dendrites

发表时间:2026.2.25

发表期刊:Nature

获取原文:

1. 添加小助手:PSY-Brain-Frontier即可获取PDF版本



研究背景

学习会改变突触连接,但在复杂神经网络里,哪些神经元和突触该被“记功”或“追责”,也就是信用分配(credit assignment)问题,至今缺少直接的细胞亚区室证据。理论上,如果前馈输入和反馈/教学信息能在皮层锥体神经元不同树突区室中分开处理,那么单个神经元就可能接收到面向自身的向量化教学信号(vectorized teaching signals),而不是全体共享同一个标量信号。

这篇论文聚焦小鼠回顾后皮层(retrosplenial cortex, RSC)第5层锥体神经元的顶端树突(apical dendrites)。作者提出,若树突确实参与这类信用分配,至少应满足四个条件:树突活动包含胞体之外的信息;这些信息与奖励或误差等任务变量有关;其符号取决于该神经元在任务中的因果角色;扰动这类树突信号会影响学习。一个现实难点是,实验者往往不知道大脑内部究竟在优化什么奖励函数。为绕开这个问题,作者使用了由实验者明确规定奖励函数的神经反馈脑机接口(brain-computer interface, BCI)任务。


实验设计与方法逻辑

作者让头固定小鼠在双光子成像下学习一个闭环BCI任务:在RSC中选出两组空间上交错的第5层锥体神经元,定义为P+和P−,两组平均活动之差驱动视觉光栅朝目标方向旋转;达到目标后给予奖励。首先,研究连续追踪14天,确认小鼠能否学会任务,以及P+、P−神经元活动如何随学习变化。

随后,作者半同步记录同一神经元近端与远端顶端树干钙信号,并以近端树干作为胞体活动代理,定义体-树突残差(somato-dendritic residual, SD residual),用于量化在给定胞体事件幅度下,树突信号是相对放大还是相对衰减。这个指标的目的,是检验树突是否携带胞体活动之外的额外信息。

接着,研究用视野内周围神经元在事件前2秒的活动去预测单细胞SD residual,并在群体层面用SD residual解码奖励/未奖励、成功/失败等任务变量。更关键的一步是,P+和P−在任务中对误差的因果作用相反,因此可以检验树突中的误差信号究竟更像“全体共享的标量”,还是“依神经元角色改变符号的向量化表示”。最后,作者通过激活第1层的NDNF阳性中间神经元(NDNF+ interneurons)削弱顶端树突处理,观察相关信号和学习表现是否同时受影响。需要注意的是,这项研究证明的是与任务相关的树突信号及其必要性的一部分证据,并不能据此直接断言大脑普遍采用某一种具体学习算法。


核心发现


发现一:这项BCI学习依赖神经元群体的差异性重塑,而不是整体一起增强

小鼠确实学会了这项闭环BCI任务,而且学习过程中,P+与P−并不是同步朝同一方向变化。正文显示,14天训练后,无论按正确率还是每分钟奖励数衡量,任务表现都提升;与此同时,P−神经元活动逐渐下调,而P+整体更接近维持原水平。由于两类神经元在空间上交错、且训练初始瞬变频率相当,这更符合差异性重塑,而不是简单的非特异性增益上调


Fig. 1 中,作者一边给出BCI任务规则,一边展示14天内的表现变化和P+、P−活动轨迹;这张图说明小鼠学会了任务,而且学习伴随的是两类控制神经元的分化调整,也对应了“发现一”。
发现二:体-树突残差携带胞体之外的信息,并与奖励和试次结果相关

虽然胞体与远端树突的事件时间高度相关,但两者相对幅度并不固定。作者用SD residual量化这种差异后发现,它与胞体事件幅度去相关,却可以被周围网络状态在单细胞层面高于随机水平地预测,说明树突并不只是被动复制胞体输出。进一步地,在群体层面,SD residual能够以高于随机的准确率区分奖励/未奖励试次,以及成功/失败试次,表明这种体-树突差异信号与任务相关变量有关。麻醉和激活NDNF+中间神经元都会降低SD residual,也支持这一指标对应可被生理操控的树突处理过程。




Fig. 2 展示了SD residual的定义,以及周围网络活动如何预测单细胞树突相对放大或衰减;Fig. 3 说明这种指标会在麻醉或NDNF+中间神经元激活时下降;Fig. 4 则表明群体SD residual可解码奖励和试次结果,这几张图共同支撑了“发现二”。
发现三:树突中的误差信号具有神经元特异性,干扰后学习也会受损

如果误差信号只是全局广播的标量,那么P+和P−应当表现出同向的树突变化;但正文结果并非如此。在误差降低阶段,P+神经元树突相对放大,P−则相对衰减;到了误差升高阶段,两者关系反转。这说明树突中的相关信号带有“方向”,并依赖该神经元在任务中的因果角色,更符合向量化教学信号的预测。作者同时指出,这里观察到的更接近误差导数,而不是经典反向传播中的误差本身。进一步地,激活第1层NDNF+中间神经元后,这种P+与P−可分离的树突误差信号消失,训练后期的表现提升也被破坏,说明局部树突处理与该任务中的学习改进有关。


Fig. 5 中,作者直接比较了P+与P−在误差下降和误差上升时期的SD residual方向,并加入NDNF+中间神经元干预后的结果;这张图把“神经元特异性误差信号”与“学习受损”连成了同一条证据链,也对应了“发现三”。


总结

这篇Nature研究用闭环神经反馈BCI,把信用分配问题放进了可检验的实验框架。结果显示,小鼠RSC第5层锥体神经元的远端顶端树突中,体-树突残差与奖励、试次结果和误差变化相关,而且其符号取决于神经元在任务中的因果角色;扰动这类树突处理会削弱学习。但这还不能直接外推到全脑,也不等于已经证明大脑普遍使用经典反向传播。


请打分

这篇刚刚登上Nature的研究,是否实至名归?我们邀请您作为“云审稿人”,一同品鉴。精读全文后,欢迎在匿名投票中打分,并在评论区分享您的深度见解。

分享人:BQ

审核:PsyBrain 脑心前沿编辑部

你好,这里是「PsyBrain 脑心前沿

专注追踪全球认知神经科学的最尖端突破

视野直击 Nature, Science, Cell 正刊 及核心子刊与顶级大刊

每日速递「深度解读」与「前沿快讯

科研是一场探索未知的长跑,但你无需独行。欢迎加入PsyBrain 学术社群,和一群懂你的同行,共同丈量脑与心智的无垠前沿。

点击卡片进群,欢迎你的到来

一键关注,点亮星标 ⭐ 前沿不走丢!


一键分享,让更多人了解前沿

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
伊朗官方确认:翼龙-2首次参战即被击落,海湾国家反应强烈

伊朗官方确认:翼龙-2首次参战即被击落,海湾国家反应强烈

最新声音
2026-04-06 08:32:33
《浪姐7》再现修罗场,5人被争抢,4人被嫌弃,3人锁定淘汰位

《浪姐7》再现修罗场,5人被争抢,4人被嫌弃,3人锁定淘汰位

小丸子的娱乐圈
2026-04-08 05:30:03
弟弟抽了我媳妇一巴掌,我妈劝我别计较,我反手卖掉刚给他们买的

弟弟抽了我媳妇一巴掌,我妈劝我别计较,我反手卖掉刚给他们买的

云端书馆
2026-04-08 09:36:19
这个男士是郭延军,他的鼻子的宽度、面积、体积为普通人2倍以上

这个男士是郭延军,他的鼻子的宽度、面积、体积为普通人2倍以上

岁月有情1314
2026-04-01 11:25:58
从惊魂到TACO--特朗普震惊世界的12小时

从惊魂到TACO--特朗普震惊世界的12小时

华尔街见闻官方
2026-04-08 11:06:14
1927年,周恩来在浦东被抓,黄埔团长刚走进审讯室一眼就认出恩师

1927年,周恩来在浦东被抓,黄埔团长刚走进审讯室一眼就认出恩师

磊子讲史
2026-03-11 11:33:42
认祖归宗!蒋介石做梦也没想到,曾孙告别台湾,跑到杭州创业定居

认祖归宗!蒋介石做梦也没想到,曾孙告别台湾,跑到杭州创业定居

顾史
2026-03-05 18:17:23
安徽6岁女童遇害:凶手报复下黑手,两次转移遗体,搜救细节曝光

安徽6岁女童遇害:凶手报复下黑手,两次转移遗体,搜救细节曝光

眼光很亮
2026-04-07 11:17:56
看到大陆接机代表,郑丽文心里踏实了,美国和民进党要双双出局

看到大陆接机代表,郑丽文心里踏实了,美国和民进党要双双出局

闻香阁
2026-04-08 12:27:57
王皓立功!暂停间一句话点醒王楚钦,赛后球迷拍到让人心碎的一幕

王皓立功!暂停间一句话点醒王楚钦,赛后球迷拍到让人心碎的一幕

涵豆说娱
2026-04-07 14:55:57
回顾“91女神”琪琪:五官出众,却因天真让自己“受伤”

回顾“91女神”琪琪:五官出众,却因天真让自己“受伤”

就一点
2025-11-22 10:36:39
张雪峰团队复播!全网破防!

张雪峰团队复播!全网破防!

广告案例精选
2026-04-08 08:29:44
最后7小时!特朗普威胁摧毁伊朗,俄罗斯致电北京,中方表态

最后7小时!特朗普威胁摧毁伊朗,俄罗斯致电北京,中方表态

长星寄明月
2026-04-08 13:40:26
视频丨美前高官警告:以色列记录糟糕 需防止其破坏美伊停火

视频丨美前高官警告:以色列记录糟糕 需防止其破坏美伊停火

国际在线
2026-04-08 14:10:47
黄子华《夜王》香港票房破纪录,古天乐《寻秦记》累计9860万

黄子华《夜王》香港票房破纪录,古天乐《寻秦记》累计9860万

千信齐飞
2026-04-08 13:19:57
遗憾!中国航天又一次发射失利,损失一枚大火箭

遗憾!中国航天又一次发射失利,损失一枚大火箭

DeepAuto车探
2026-04-08 09:28:25
孙中山遗体,为何从开始的永久保存供人瞻仰,转变为混凝土封固

孙中山遗体,为何从开始的永久保存供人瞻仰,转变为混凝土封固

云霄纪史观
2026-03-31 16:47:50
从权倾朝野到满门抄斩,他的九十岁老母都被砍头示众!

从权倾朝野到满门抄斩,他的九十岁老母都被砍头示众!

历史按察使司
2026-04-07 12:41:15
2026年买华为系车别急!4月又有超7款新车来袭,纯电最高905km!

2026年买华为系车别急!4月又有超7款新车来袭,纯电最高905km!

芭比衣橱
2026-04-08 12:03:59
伊朗媒体:特朗普作出让步,同意暂时停火两周

伊朗媒体:特朗普作出让步,同意暂时停火两周

界面新闻
2026-04-08 07:14:46
2026-04-08 14:43:00
PsyBrain脑心前沿
PsyBrain脑心前沿
追踪脑科学新动态,聚焦认知与神经新研究
286文章数 15关注度
往期回顾 全部

科技要闻

造出地表最强AI,却死活不给你用!

头条要闻

美联社:伊朗同意停火前中国出面介入 万斯也参与斡旋

头条要闻

美联社:伊朗同意停火前中国出面介入 万斯也参与斡旋

体育要闻

40岁,但实力倒退12年

娱乐要闻

杨颖邓超低调现身观众席 支持陈赫话剧

财经要闻

特朗普同意停火两周 伊朗:接受停火提议

汽车要闻

5门5座/新复古造型 缤果Pro将于4月14日开启预售

态度原创

数码
时尚
本地
游戏
艺术

数码要闻

荣耀WIN游戏本官宣定档4月23日:顶配释放超250W

阔腿裤失宠了?今年这几条裤子最时髦!

本地新闻

跟着歌声游安徽,听古村回响

养女儿游戏《Machine Child》发布Steam和谐还原补丁

艺术要闻

齐白石『凌波仙子』

无障碍浏览 进入关怀版