Nature：复杂思维并非人类独有，老鼠通过非凡的抽象能力，来掌握复杂思维

2021-04-26 生物世界

通过研究小鼠的类别学习，该研究为抽象思维的神经元基础增加了重要的细节，并提醒我们复杂的思维不仅仅是人类的专属能力。

撰文 | nagashi

编辑 | 王聪

排版 | 水成文

随着科技的发展，人脸识别、识图辨物等人工智能已经走入大众的日常生活，这些识图软件大多都是基于深度学习算法和海量数据集，对图片和视频源中面部或物体特征进行提取分析，以此识别人物身份和物体名称。

十分有趣的是，对于人工智能来说，识别人脸或物体是一项十分复杂的任务，但对于高等哺乳动物而言，却是一个十分简单的问题，虽然具体的学习过程可能涉及复杂的神经元重建和脑区活动。令遗憾的是，这些学习过程的具体形成机制一直未被解释。

2021年4月21日，马克斯·普朗克神经生物学研究所的研究人员在 Nature 期刊发表了题为： Mouse prefrontal cortex represents learned rules for categorization 的研究论文。

该研究表明，小鼠具有十分惊人的分类能力，在学习过程中，小鼠前额叶皮层神经元在获取类别选择性时表现出不同的动态，并在随后的规则转换中表现出不同的参与度，以此证明了抽象信息在神经元水平上是如何表现的。

举个例子，一个蹒跚学步的孩子可能很容易就能从新的图画书中识别出见过的物体，譬如“椅子”。孩子做了正确的决定，这似乎并不是特别值得注意，但这必然经过一个复杂的归类和辨认的过程：孩子必须把书中描绘的椅子和他已经知道的椅子联系起来，即使它们可能有不同的形状或颜色。

但问题是，孩子是怎么做到的？

答案是分类，这是思维的基本要素。

该研究的第一作者Sandra Reinert对此解释道：“每当孩子遇到椅子，他都会储存这种经历。根据椅子之间的相似性，孩子的大脑会通过形成“椅子”这一类别来抽象椅子的属性和功能，从而让他能够很快地将新椅子与其所包含的类别和知识联系起来。”

实际上，我们的大脑会不断地对事物进行分类，不仅是童年时期的椅子，还可以是任何信息。那么，这会给我们带来什么样的好处呢？

该研究的通讯作者 Pieter Goltstein 说道：“我们的大脑试图找到一种方法来简化和描述现实世界。如果没有分类，我们就不能像现在这样高效地与环境互动。换句话说，如果失去这种能力，我们就必须学会辨认每一把新遇到的椅子。因此，对感觉输入进行分类对生物来说是至关重要的，但大脑的这个潜在过程在很大程度上是未知的。”

小鼠具有惊人的分类能力

在此项研究中，Pieter Goltstein 及其领导的研究团队一直致力于研究大脑如何存储抽象信息，如学习类别。由于这很难在人类身上进行研究，研究人员测试了小鼠是否以类似于我们的方式分类。

为了做到这一点，研究人员向小鼠展示了不同的条纹图案图片，并给它们一个分类规则。其中一组动物必须根据条纹的厚度将图片分成两类，而另一组则根据图片的朝向将其分类。

研究人员惊讶地发现，这些小鼠能够学习各自的规则，并可靠地将图片分类到正确的类别。更令人惊讶的是，在最初的训练阶段之后，这些小鼠甚至可以把之前没见过的条纹图案归类为正确的类别——就像拿到新书的孩子一样。

小鼠可以对视觉刺激进行归纳分类

不仅如此，当研究人员转换分类规则之后，小鼠可以忽略此前学过的东西，并根据新的规则重新分类图片———这正是我们人类在学习新事物时一直在做的事情。因此，这项研究首次证明了小鼠在何种程度上、以何种精度进行分类，并具有接近人类的抽象能力！

神经元逐渐发展出一种类别表征

值得注意的是，在分类学习过程中，哺乳动物大脑新皮质的几个区域都发现了显示类别选择性的神经元，其中前额叶皮层似乎在这方面扮演着重要的角色。

基于此，研究团队进一步研究了小鼠大脑分类的基础，他们将研究重点放在大脑的前额叶皮层上，这也是人类参与复杂思维过程的大脑区域。研究结果显示，当小鼠把条纹图案分类时，这一区域的某些神经元会变得十分活跃。更有趣的是，不同的神经元组会对不同的类别做出选择性的反应。

小鼠前额叶皮层中的单个神经元产生类别选择反应

马克斯·普朗克神经生物学研究所主任 Tobias Bonhoeffer 表示：“小鼠大脑中分类选择神经元的发现是一个关键点。这使我们第一次能够观察到这些神经元从类别学习开始到结束的活动。这表明神经元不是立即获得选择性，而是在学习过程中逐渐发展。”

分类选择神经元是长期记忆的一部分

科学家们认为，只有当获得的知识从短期记忆转变为长期记忆时，前额叶皮质中的分类选择性神经元才会发挥作用。在那里，这些细胞将分类作为语义记忆的一部分储存起来，而语义记忆是所有事实知识的集合。

研究团队反复成像小鼠前额叶皮层的单个细胞，以此研究神经元类别表征在整个学习过程中的形成。他们发现，在学习过程中，前额叶皮层神经元在获取类别选择性时表现出不同的动态，并在随后的规则转换中表现出不同的参与度。部分神经元有选择地、独特地对类别作出反应，并反映泛化行为。

小鼠的前额叶皮层包含独特的类别调节神经元

因此，小鼠前额叶皮层中的类别表征是在学习过程中逐渐获得的，而不是临时招募的。同时，这个渐进的过程表明，前额叶皮层的神经元是视觉类别特定语义记忆的一部分。值得注意的是，学习类别是大脑简化现实世界的一种方式，但这也意味着这些类别不一定会正确地反映现实。

结语

在复杂的自然环境中，动物将感官刺激进行分类的能力对其生存是至关重要的，学会记忆类别而不仅仅是单个的例子，使得拥有分类能力的动物表现出更好的行为灵活性和计算优势。

这项研究证实了小鼠也具有强大的分类能力，可以根据既定的规则将条纹图案高效地识别并分类。这一分类能力是在学习过程中逐渐获得的，并与大脑的前额叶皮层的神经元活动密切相关，由此揭示了高等哺乳动物的分类能力的具体形成机制。

通过研究小鼠的类别学习，该研究为抽象思维的神经元基础增加了重要的细节，并提醒我们复杂的思维不仅仅是人类的专属能力。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03452-z

不感兴趣

看过了

取消

免责声明· 我要投稿

Nature,神经元,思维,大脑,额叶

打赏

不感兴趣

看过了

取消

精彩评论

点击查看更多评论

姓名：
邮箱：
意见内容：
	还可输入500字

您的申请提交成功

Nature：复杂思维并非人类独有，老鼠通过非凡的抽象能力，来掌握复杂思维

精彩评论

相关推荐

健康界峰会

中国医院排行榜

全国医院擂台赛

公众号矩阵

关注我们

热门产品

您的申请提交成功

您的申请提交成功