我們的大腦如何為信息排序

　　不久前，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所研究員朱英杰與美國斯坦福大學生物系教授陳曉科合作發現，大腦存在一個動態評估外界信息重要性的關鍵腦區——丘腦室旁核（PVT），該腦區能夠在不同環境和生理狀態下評估事件的重要性，從而幫助我們做出恰當選擇。

　　他們利用光遺傳學技術結合電生理和光纖記錄技術首次發現，在小鼠大腦中，存在一群神經元能夠編碼外界信息的重要性（即“生物學顯著性”）。這些位于大腦中部PVT腦區的神經元活動，能夠反映外界刺激的重要性，并且隨內在生理狀態和外部環境而動態變化，從而控制學習能力。該研究成果已以長文形式發表于國際頂級期刊《科學》雜志。

　　“判斷信息的重要性是一個高級的大腦功能，它能夠幫助人們更好地適應環境，也控制著人們的注意力和學習能力。這一發現為人們未來研究如何提高大腦的認知和學習能力奠定了重要基礎，對普通人群和腦疾病患者的認知與治療均具有突破性意義。”朱英杰表示。

　　大腦中存在對信息重要性進行評估的腦區

　　每時每刻，我們都會接受大量信息的“轟炸”，為何你會從海量信息中提取出最重要的信息，并據此做出反應？

　　“這是大腦信息處理面臨的一個基本問題。”朱英杰表示，此前，國際科學界普遍認為PVT調控負性情緒，但他們針對同一腦區，通過實驗論證顛覆性提出——PVT動態編碼事件重要性的概念。

　　“這項重要研究拓展了我們對丘腦功能的認識，發現了影響學習和記憶的重要神經機制。該工作將引起腦認知和腦疾病研究領域的廣泛關注，并吸引更多研究者探索PVT這一重要腦區的功能。”美國三院院士、斯坦福大學終身教授羅伯特·馬倫卡評價道。

　　研究中，科研人員首先訓練小鼠進行嗅覺巴甫洛夫條件性學習，將不同氣味刺激與獎賞（水）或者懲罰（吹氣）偶聯起來，隨后他們發現，位于大腦中部的PVT神經元能夠被重要事件所激活，無論是獎賞還是懲罰性刺激。科研人員還發現，小鼠對氣味的反應也很耐人尋味——他們首次為小鼠呈現了小鼠不喜不厭的中性氣味，如果是第一次呈現該氣味，則能夠激活PVT；但如果該氣味反復出現，并且沒有伴隨任何后果時，PVT反應逐漸消失；當該氣味與獎賞或懲罰偶聯起來時，PVT又能被激活。此外，PVT被激活的幅度也能反映刺激的強度——兩滴水的獎賞比一滴水的獎賞能夠更好地激活PVT。

　　“這是首次發現在丘腦中存在能反映外界刺激重要性的神經元。”論文通訊作者陳曉科表示。

　　在活動中的動物身上開展多通道電生理記錄技術應用實驗，對于朱英杰來說是第一次。2016年，在實驗初期，他遇到了不少技術難題，比如小鼠運動時帶來的電噪音太大，等等。因此，他不得不跑到其他實驗室求教，還走了一些彎路，才逐一攻克難題。

　　“此項研究十分復雜而精巧，研究結果表明，丘腦的一個特殊核團——丘腦室旁核，在追蹤外界刺激的顯著性方面發揮著重要作用。而大腦正是利用這些信息來學習如何衡量外界刺激，并對某些刺激采取忽略或避免。”羅伯特·馬倫卡說，此前人們一直認為，丘腦主要參與處理環境中的感覺刺激，國際科學界對PVT的研究多與焦慮、恐懼、抑郁等負面情感有關，而這項研究論述了丘腦如何在不同形式的學習記憶過程中發揮關鍵作用。由此可以預見，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。

　　大腦會針對內外環境變化動態調節

　　在完成實驗第一步之后，朱英杰一直在苦思冥想：神經細胞編碼信息重要性的意義究竟何在？如何深挖這種響應機制？隨后，他們通過改變內在生理狀態和外部環境，進一步研究了該機制在面對內外環境變化后的動態響應。

　　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，也與動物的內在生理狀態和所處的外部環境有關。

　　例如，當小老鼠饑腸轆轆時，食物對它來說就是非常重要的資源；但當它酒足飯飽之后，食物的誘惑性就要大打折扣。另外，外部環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，這時貓的顯著性（重要性）就要大于食物，小鼠就會壓制對食物的沖動，首先躲避貓。

　　他們通過光纖成像記錄技術和單細胞電生理記錄技術從不同角度反復驗證發現，PVT神經元的活動能夠根據動物內在生理狀態和外部環境，動態反映動物對重要性的判斷。

　　此外，他們還在研究中發現了PVT腦區對于“預期獎勵落空”存在動態評估機制。也就是說，當每天小鼠到冰箱前都能發現一塊奶酪時，它已經習慣了這種獎賞。但是有一天，當小鼠到冰箱前卻沒有看到奶酪時，它的“心理失落感”會激活PVT。

　　然而，由于動物具有消退學習能力，即它如果習慣了冰箱前沒有奶酪，就會逐漸習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”，如果一直習慣了對方的存在，PVT反應也會趨于平淡，這時，夫妻就可能過成了“家人”。但如果一旦有外界環境的刺激，又可能會重新激活初戀時的“心動感”。

　　不過，科研人員也發現，如果他們控制小鼠的PVT活動，其消退學習的過程會變得更慢。朱英杰說，“不妨做一個假設，人為干預可能會減緩感情消退的過程。讓PVT活動保持平穩，夫妻之間也許可以一直有‘心動感’”。

　　人為干預可提升注意力和學習能力

　　自2017年加入中國科學院深圳先進技術研究院以來，朱英杰一直致力于深入研究大腦對信息重要性的評估機制。“僅僅找出數據、發現機制不是全部，我們的最終目標是要解決問題，讓科學研究能夠‘研之有用’。”朱英杰說。

　　對信息重要性的評估有助于將注意力集中于重要事件，從而提高對該事件的學習能力。研究人員利用光遺傳學神經調控發現，PVT控制著小鼠學習的速率和效果。在嗅覺巴甫洛夫條件性學習中，小鼠能夠學會氣味跟水獎勵的偶聯，表現為預期性的舔水。在人為利用光遺傳技術抑制PVT活動之后，這種偶聯性學習的速率和效果都大大受損。這說明，PVT的活動對于學習能力非常重要。

　　隨著人工智能發展，以深度學習為代表的機器學習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次香山科學會議上，中國科學院神經科學所蒲慕明院士指出，與人腦學習能力相比，機器學習在可解釋性、推理能力、舉一反三能力等方面，存在明顯差距。

　　發展類腦智能，讓機器向人學習，是提升人工智能水平的重要方向。香港科技大學葉玉如院士也指出：“目標是在多個層面，理論上模擬大腦的機制和結構，開發一個更具有普遍性的人工智能以應對包括多任務、自學習和自適應等方面的挑戰。”

　　近年來，腦科學研究正在從傳統的“讀腦”向“控腦”轉換。此項研究工作正是對PVT腦區的“讀”與“控”。

　　“未來我們將進一步研究，是否可以通過增強PVT活動來提高人們的注意力，增強人們的學習能力，這將為轉化應用打開一扇窗口。”朱英杰表示。

　　此外，該大腦機制的研究發現或許會為未來類腦智能與人工智能技術的結合提供新的研究思路。例如，在大數據時代，如何從海量信息中尋找重要的有效信息？在一萬張人臉中，如何通過一個生物學特征快速準確識別出你想要找的那個人？這都需要尋找到背后的生物學原理。業內專家表示，通過研究大腦如何動態評估外界信息重要性、生物學顯著性的內在機制，對未來發展類腦智能、增強腦機融合，推動人工智能技術的跨越發展都將有重要意義。