在對(duì)猴子的研究中，約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員報(bào)告說(shuō)，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了關(guān)于小腦 - 哺乳動(dòng)物大腦的“學(xué)習(xí)機(jī)器”如何做出預(yù)測(cè)并從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)的重要新細(xì)節(jié)，幫助我們執(zhí)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)行為，如準(zhǔn)確將籃球射入網(wǎng)中或?qū)⒆⒁饬性谡麄€(gè)房間的物體上。

在4月16日發(fā)表在Nature Neuroscience上的研究摘要中，研究人員更好地理解了為什么影響小腦的退行性疾病會(huì)導(dǎo)致人們失去對(duì)其運(yùn)動(dòng)的控制。他們的研究結(jié)果表明，小腦的組織方式與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前設(shè)計(jì)截然不同，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目前用于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能。

在小腦中學(xué)習(xí) - 位于顱骨后部的脊椎動(dòng)物大腦的一部分，指導(dǎo)和調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng) - 通過(guò)試驗(yàn)和錯(cuò)誤的過(guò)程來(lái)指導(dǎo)。例如，在學(xué)習(xí)射擊籃球時(shí)，人們通常會(huì)錯(cuò)過(guò)很多次才能通過(guò)籃筐投籃。當(dāng)手臂移動(dòng)時(shí)，小腦會(huì)對(duì)動(dòng)作的后果做出預(yù)測(cè)。當(dāng)預(yù)測(cè)與現(xiàn)實(shí)不符 - 也就是說(shuō)，球錯(cuò)過(guò)了箍 - 小腦接受來(lái)自眼睛和手臂的反饋以從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)，微調(diào)因素如目標(biāo)，力量和釋放來(lái)制作籃子。這種從錯(cuò)誤中試用到試驗(yàn)的學(xué)習(xí)可以逐步改善性能。然而，研究工作未能解釋小腦細(xì)胞如何做出預(yù)測(cè)以及如何從錯(cuò)誤中吸取教訓(xùn)，

“試圖理解小腦中的神經(jīng)活動(dòng)有點(diǎn)像試圖破譯外來(lái)語(yǔ)言，來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的信號(hào)，”他說(shuō)。

為了解碼信號(hào)，Shadmehr說(shuō)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究小腦中的主要神經(jīng)元，稱(chēng)為浦肯野細(xì)胞。浦肯野細(xì)胞通過(guò)兩種類(lèi)型的電信號(hào)進(jìn)行通信：簡(jiǎn)單的尖峰，其反映關(guān)于細(xì)胞正在進(jìn)行的預(yù)測(cè)的信息;以及復(fù)雜的尖峰，其反映被發(fā)送回浦肯野細(xì)胞的信息，通知它們預(yù)測(cè)中的錯(cuò)誤。

Shadmehr說(shuō)：“你可以把簡(jiǎn)單的尖峰看作是做出預(yù)測(cè)的'學(xué)生'和復(fù)雜的尖峰作為提供反饋的'老師'。”

在過(guò)去的一項(xiàng)研究中，Shadmehr和他的研究小組發(fā)現(xiàn)Purkinje細(xì)胞組成了大約50個(gè)小組，并一起進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)發(fā)送所有成員的輸出。構(gòu)成這些組的神經(jīng)元共享一個(gè)關(guān)鍵特征：它們都接收相同的錯(cuò)誤信號(hào)。因此，小腦中的基本計(jì)算單位不是單個(gè)浦肯野細(xì)胞，而是一個(gè)從一個(gè)常見(jiàn)錯(cuò)誤中共同學(xué)習(xí)的小團(tuán)體。雖然早期的研究試圖破譯單個(gè)浦肯野細(xì)胞的簡(jiǎn)單峰值，但這些結(jié)果表明理解小腦的關(guān)鍵是將浦肯野細(xì)胞組織成組，然后計(jì)算組中成員產(chǎn)生的簡(jiǎn)單尖峰的總和。 。通過(guò)這樣做，

找到了解釋小腦預(yù)測(cè)語(yǔ)言的方法，下一步是了解小腦如何從預(yù)測(cè)誤差中學(xué)習(xí)。為了研究這個(gè)問(wèn)題，研究人員測(cè)量了七只配有電極的恒河猴的小腦活動(dòng)，并訓(xùn)練它們用眼睛跟蹤一個(gè)小目標(biāo)。研究人員通過(guò)比猴子準(zhǔn)確預(yù)測(cè)更快地移動(dòng)目標(biāo)來(lái)復(fù)制“錯(cuò)誤”，導(dǎo)致他們經(jīng)常錯(cuò)過(guò)目標(biāo)。

他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)電極測(cè)量的簡(jiǎn)單尖峰與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度相關(guān) - 更簡(jiǎn)單的尖峰意味著猴子需要更快地移動(dòng)眼睛來(lái)捕捉目標(biāo)。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，浦肯野細(xì)胞平均每秒產(chǎn)生50-70個(gè)尖峰。

研究人員發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的尖峰并沒(méi)有以同樣的方式傳達(dá)錯(cuò)誤。無(wú)論猴子的眼睛離目標(biāo)有多遠(yuǎn)，小腦產(chǎn)生的復(fù)雜尖峰的數(shù)量都保持不變。相反，他們發(fā)現(xiàn)誤差的方向影響了產(chǎn)生復(fù)雜尖峰的概率，而誤差的大小影響了復(fù)雜尖峰的時(shí)間。因此，預(yù)測(cè)語(yǔ)言是簡(jiǎn)單尖峰的速率，而預(yù)測(cè)誤差的語(yǔ)言是復(fù)雜尖峰的時(shí)間。

例如，Shadmehr發(fā)現(xiàn)，當(dāng)猴子以3度的距離錯(cuò)過(guò)目標(biāo)時(shí)，100毫秒后會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的尖峰，如果猴子錯(cuò)過(guò)8度，則會(huì)在120毫秒內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜的尖峰。

“簡(jiǎn)而言之，教師的'語(yǔ)言'是時(shí)間，而學(xué)生的語(yǔ)言是速度，”沙德梅爾說(shuō)。

Shadmehr解釋說(shuō)，世界上當(dāng)前的AI機(jī)器依賴(lài)于相同的基本結(jié)構(gòu)，并且由多層神經(jīng)元單元組成，這些單元一起進(jìn)行預(yù)測(cè)。這些單元的層進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果傳遞到下一層，直到該過(guò)程到達(dá)進(jìn)行最終預(yù)測(cè)的“輸出”層。當(dāng)AI機(jī)器的預(yù)測(cè)錯(cuò)誤時(shí)，它會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且當(dāng)前的AI網(wǎng)絡(luò)會(huì)將該錯(cuò)誤發(fā)送回所有單元。

“這些機(jī)器受到生物網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方式的啟發(fā)，但有趣的是，小腦的結(jié)構(gòu)與人工系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)略有不同，”Shadmehr說(shuō)。在錯(cuò)誤發(fā)生后，所有細(xì)胞都接受復(fù)雜的尖峰，而在小腦中，浦肯野細(xì)胞組織成小組，每組都專(zhuān)門(mén)響應(yīng)特定的錯(cuò)誤。Purkinje單元似乎是基于對(duì)任務(wù)空間的一小部分的錯(cuò)誤偏好進(jìn)行組織的。

Shadmehr說(shuō)，小腦結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以保護(hù)記憶。當(dāng)您遇到錯(cuò)誤時(shí)，它會(huì)通過(guò)引用注冊(cè)該錯(cuò)誤的Purkinje單元格來(lái)學(xué)習(xí)。如果在下一次試驗(yàn)中您遇到左側(cè)錯(cuò)誤，則新錯(cuò)誤將引入一組新的Purkinje單元格。結(jié)果，新錯(cuò)誤不會(huì)擦除存儲(chǔ)器，但會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器。

對(duì)小腦的損傷會(huì)嚴(yán)重?fù)p害運(yùn)動(dòng)的能力，導(dǎo)致一起稱(chēng)為共濟(jì)失調(diào)的癥狀。一個(gè)尚未解決的難題是小腦如何將其預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化為指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)指令。

這一最終結(jié)果可以通過(guò)測(cè)量誤差學(xué)習(xí)來(lái)改進(jìn)小腦疾病的診斷，并允許科學(xué)家將運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)障礙與特定的浦肯野細(xì)胞群的喪失聯(lián)系起來(lái)。