與其他動(dòng)物一樣，人類擁有巨大的學(xué)習(xí)能力，可以逮捕新的感官信息，掌握新技能或適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。然而，許多使我們學(xué)習(xí)的機(jī)制仍然知之甚少。系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的最大挑戰(zhàn)之一是解釋突觸連接如何變化以支持適應(yīng)性行為。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)的神經(jīng)科學(xué)家此前表明，大腦皮質(zhì)中的突觸學(xué)習(xí)機(jī)制依賴于來(lái)自更深部大腦區(qū)域的反饋。他們現(xiàn)在已經(jīng)精確地破譯了這種反饋如何通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉特定的抑制性神經(jīng)元來(lái)阻止突觸加強(qiáng)。這項(xiàng)研究，可以在Neuron中閱讀，不僅構(gòu)成了我們理解感知學(xué)習(xí)機(jī)制的重要里程碑，而且還可以提供對(duì)計(jì)算機(jī)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)和人工智能的深入了解。

皮層 - 大腦的外部和最大區(qū)域 - 對(duì)于更高的認(rèn)知功能，復(fù)雜行為，感知和學(xué)習(xí)非常重要。在感覺(jué)刺激到來(lái)之后，皮質(zhì)處理并過(guò)濾其信息，然后將最相關(guān)的方面?zhèn)鬟f到其他大腦區(qū)域。反過(guò)來(lái)，這些大腦區(qū)域中的一些將信息發(fā)送回皮層。這些被稱為“反饋系統(tǒng)”的循環(huán)被認(rèn)為對(duì)皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的功能及其對(duì)新感覺(jué)信息的適應(yīng)性至關(guān)重要。“對(duì)于感知學(xué)習(xí) - 這是對(duì)感覺(jué)刺激作出反應(yīng)的改進(jìn)能力 - 神經(jīng)元回路需要首先評(píng)估傳入感官信息的重要性，然后改進(jìn)將來(lái)處理它的方式。

胡須如何突出反饋系統(tǒng)

老鼠的鼻子上的胡須專門(mén)用于觸覺(jué)傳感，并且在動(dòng)物理解其直接環(huán)境方面的能力中起主要作用。處理來(lái)自胡須的感覺(jué)信息的皮質(zhì)部分不斷優(yōu)化其突觸以便學(xué)習(xí)關(guān)于觸覺(jué)環(huán)境的新方面。因此，它構(gòu)成了一個(gè)有趣的模型，用于理解反饋系統(tǒng)在突觸學(xué)習(xí)機(jī)制中的作用。

UNIGE的科學(xué)家們分離了一個(gè)與胡須相關(guān)的反饋電路，并使用電極來(lái)測(cè)量皮質(zhì)中神經(jīng)元的電活動(dòng)。然后，他們通過(guò)刺激已知用于處理該信息的皮質(zhì)的特定部分來(lái)模仿感覺(jué)輸入，并且同時(shí)使用光來(lái)控制反饋電路。“這種離體模型允許我們獨(dú)立于感覺(jué)輸入控制反饋，這在體內(nèi)是不可能做到的。然而，將感覺(jué)輸入與反饋斷開(kāi)對(duì)于理解兩者之間的相互作用如何導(dǎo)致突觸強(qiáng)化至關(guān)重要” Holtmaat。

抑制神經(jīng)元對(duì)信息進(jìn)行門(mén)控

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單獨(dú)觸發(fā)時(shí)，兩個(gè)組件都會(huì)激活各種神經(jīng)元。然而，當(dāng)同時(shí)激活時(shí)，一些神經(jīng)元實(shí)際上會(huì)降低其活動(dòng)。“有趣的是，當(dāng)感覺(jué)輸入和反饋一起發(fā)生時(shí)被抑制的神經(jīng)元通常會(huì)抑制對(duì)感知很重要的神經(jīng)元，這被稱為抑制抑制或去抑制，”UNIGE醫(yī)學(xué)院的Leena Williams解釋道，研究的第一作者。“因此，這些神經(jīng)元就像進(jìn)入信息的門(mén)，而且通常是關(guān)閉的。但是當(dāng)反饋進(jìn)來(lái)時(shí)，門(mén)被打開(kāi)，允許那些照顧主要感官信息的突觸增加其強(qiáng)度。

現(xiàn)在他們已經(jīng)精確地確定了哪種神經(jīng)元參與了這種機(jī)制，這些科學(xué)家將在“現(xiàn)實(shí)生活”中測(cè)試他們的結(jié)果，以檢查當(dāng)小鼠需要學(xué)習(xí)新的感覺(jué)信息或發(fā)現(xiàn)新方面時(shí)，抑制神經(jīng)元是否會(huì)像預(yù)測(cè)的那樣表現(xiàn)在它的觸覺(jué)環(huán)境中。

深度學(xué)習(xí)：模仿自然智慧

大腦電路如何優(yōu)化自己?系統(tǒng)如何通過(guò)閱讀自己的活動(dòng)來(lái)教自己?除了與動(dòng)物學(xué)習(xí)相關(guān)外，這個(gè)問(wèn)題也是機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)劃的核心。實(shí)際上，一些深度學(xué)習(xí)專家試圖模仿大腦電路來(lái)構(gòu)建人工智能系統(tǒng)。UNIGE團(tuán)隊(duì)提供的見(jiàn)解可能與無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)相關(guān)，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)分支，它通過(guò)能夠自我組織和優(yōu)化新信息處理的電路模型來(lái)占據(jù)自身。例如，這對(duì)于創(chuàng)建有效的語(yǔ)音或面部識(shí)別程序是重要的。