大脑灵活神经回路可在不同任务间自由切换

在日常生活中，我们的大脑需要应对各种各样的认知任务。例如在购物时，我们既要回忆食谱所需的食材，记住店员告知的商品位置，还要计算付款金额。

科学家长期以来认为，大脑中存在由神经元组成的功能模块，这些模块能够在不同类型的任务中执行相同的计算。这种模块化机制或许正是大脑能够轻松应对众多功能的原因。

在一项针对小鼠的最新研究中，麻省理工学院的神经科学家首次找到了这类灵活模块存在的实验证据。他们在前额叶皮层中识别出一组神经元，这些神经元既能在工作记忆中储存感觉输入，也能储存行动计划。

"我们发现，大脑并不会为每类信息专门分配一组神经元。相反，它使用同一批神经元对不同类型的信息执行相同的计算，这意味着同一子集的神经元既能在工作记忆中保存行动信息，也能保存感觉刺激信息。"论文第一作者、麻省理工学院博士后研究员大坂雄真说道。

研究人员表示，这一发现支持了"可复用回路使大脑能够灵活组合各组件、产生丰富多样行为"的理论。

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所牛顿神经科学教授Mriganka Sur，以及普林斯顿大学神经科学研究所教授Timothy Buschman（2008年博士毕业于麻省理工学院）是本文的共同通讯作者。该研究成果已发表于《自然·神经科学》期刊。麻省理工学院博士生Greggory Heller和博士后Sofie Ahrlund-Richter也参与了本项研究。

认知的基础模块

早在攻读麻省理工学院博士期间，Buschman就对大脑如何实现多样化行为这一问题产生了浓厚兴趣。

"其中一个长期被提出的解决方案是'组合性'概念——即可以将执行某一任务局部功能的认知单元提取出来，并在其他任务中加以复用。"他说道。

在去年发表的一项研究中，Buschman在普林斯顿的实验室证明，当动物执行根据形状或颜色对物体进行分类的任务时，会组建出负责执行不同任务片段的神经回路。这些"认知乐高积木"式的基础模块可以灵活组合，产生新的行为。

数年前加入Sur实验室的大坂雄真同样对认知灵活性研究抱有浓厚兴趣。他与Sur合作，携手Buschman共同探索一个相关问题：单一神经回路是否能够被重新调用，以执行不同的功能。

"日常生活要求我们临时保存各种类型的信息。一个核心问题是：大脑如何用有限数量的神经元表征无限多样的信息？"大坂雄真说。

为探究这一问题，研究人员训练小鼠执行一项任务：判断两个感觉刺激（高音或低音）是否相同，并作出相应反应。

研究人员在小鼠执行任务的过程中记录其大脑的电信号，重点关注与计划和决策等执行功能相关的前额叶皮层，以及负责处理感觉信息和规划运动的顶叶皮层。

在对数千个神经元的电活动进行测量后，研究人员通过计算分析识别出编码特定信息片段的神经元群组。

研究人员聚焦于两个时间段：第一个音调与第二个音调之间（此时动物正在保存对第一个音调的记忆），以及第二个音调与决策动作之间（此时动物在工作记忆中保存决策与行动计划）。

在顶叶皮层中，神经元表现出专一性，似乎仅负责储存音调记忆。而在前额叶皮层，研究人员发现了一组能够在两类记忆之间切换的神经元簇：在第一阶段，它们储存第一个音调的记忆；在第二阶段，则转而负责记住行动计划。

研究人员表示，将这些神经元簇复用于不同目的，使动物能够灵活储存不同类型的信息。

"当小鼠执行测试记忆计算能否被复用的任务时，结果表明答案是肯定的。前额叶皮层中存在功能性活动的子空间，可以成为灵活认知中混合与匹配的底层基础。"Sur说道。

计算的灵活性

Buschman表示，新发现为"同一计算回路可服务于不同目的"这一观点提供了有力支撑。

"这项研究的核心结论是：大脑中存在一种用于在工作记忆中保存信息的回路，无论是感觉信息还是运动信息都可以输入其中，并根据当前任务需求灵活复用。这意味着每次学习新任务时，大脑无需重新构建一套全新的信息保存回路。"他说。

研究人员计划进一步研究，在任务的不同阶段抑制这些模块是否会影响动物的行为表现，以此为灵活模块参与多种功能提供更多佐证。

本研究由美国国立卫生研究院、MURI资助项目、皮考尔研究所创新基金、日本学术振兴会海外研究学者奖学金及上原记念财团博士后奖学金资助。

Q&A

Q1：前额叶皮层中的灵活神经元模块是如何工作的？

A：研究发现，前额叶皮层中存在一组神经元，能够根据任务阶段切换所储存的信息类型。在听到第一个音调后，这些神经元负责保存音调的感觉记忆；而在需要作出决策时，同一组神经元则转而储存行动计划。这种"一组多用"的机制使大脑无需为每类信息单独分配神经元，从而实现对有限神经资源的高效利用。

Q2：大脑的模块化理论对人工智能研究有什么启发？

A：大脑通过复用相同的神经回路处理不同类型的信息，这与人工智能中"模块化设计"和"迁移学习"的思路高度契合。该研究揭示了生物神经网络通过组合有限模块实现复杂认知的机制，为构建更高效、更灵活的AI系统提供了生物学依据，有助于研究者设计出无需针对每项新任务重新训练的智能模型架构。

Q3：这项小鼠实验的研究结论能否适用于人类大脑？

A：目前该研究是在小鼠前额叶皮层中开展的，尚未直接在人类大脑中得到验证。但由于小鼠与人类在前额叶皮层的基本功能上存在相似性，研究人员认为这一灵活模块机制在人类大脑中很可能同样存在。后续研究计划通过干预实验进一步验证这些模块的功能作用。