MIT研究揭示大腦可塑性基本規(guī)則

MIT最新研究證實(shí)，當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元突觸增強(qiáng)時(shí)，它周圍的神經(jīng)元會(huì)變?nèi)?。這對于當(dāng)下大熱的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，又會(huì)有怎樣的啟示呢？

我們的大腦非常靈活，這一切都得益于大腦的可塑性（plasticity）。過去的科學(xué)家認(rèn)為在嬰兒關(guān)鍵期后，大腦的結(jié)構(gòu)往往不發(fā)生變化。但是在1992年，Richard Davidson提出，重復(fù)性的經(jīng)驗(yàn)可以改變大腦結(jié)構(gòu)。大腦的結(jié)構(gòu)可塑性是指大腦內(nèi)部的突觸、神經(jīng)元之間的連接可以由于學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)的影響建立新的連接，從而影響個(gè)體的行為。不過，神經(jīng)科學(xué)家們表示，如果某些連接增強(qiáng)，神經(jīng)元必須對此進(jìn)行補(bǔ)償，否則就會(huì)被輸入所淹沒。在一項(xiàng)新的研究中，MIT Picower學(xué)習(xí)與記憶研究所的科學(xué)家們首次展示了這一平衡是如何達(dá)到的：當(dāng)一個(gè)連接（突觸）增強(qiáng)時(shí)，臨近的突觸會(huì)根據(jù)Arc（一種重要的蛋白質(zhì)）的反應(yīng)變?nèi)酢?/p>

論文的第一作者M(jìn)riganka Sur將這一行為比作海中的魚群，只要領(lǐng)頭的魚轉(zhuǎn)變了方向，其他的魚會(huì)遵循它的軌跡，一起轉(zhuǎn)向，在大海中呈現(xiàn)表演一場曼妙的“舞蹈”。

“復(fù)雜系統(tǒng)的集體行為通常有著簡單的規(guī)則，當(dāng)一個(gè)神經(jīng)突觸增強(qiáng)，50微米之內(nèi)一定有其他突觸的力量在分子機(jī)制下減弱”，科學(xué)家們表示。這一發(fā)現(xiàn)解釋了突觸是如何在神經(jīng)元發(fā)揮可塑性上進(jìn)行增減的。

論文概述

雖然這一發(fā)現(xiàn)的結(jié)論很簡單，但是實(shí)驗(yàn)的過程卻很復(fù)雜。在一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們通過改變神經(jīng)元的“接受域”或它對應(yīng)的視覺域觸發(fā)了可塑性。神經(jīng)元通過突觸在末端的樹突上接收輸入，為了改變神經(jīng)元的感受域，科學(xué)家們確定了神經(jīng)元相關(guān)樹突上的中心位置，然后密切監(jiān)測突觸的變化，他們用小鼠作為實(shí)驗(yàn)對象，在屏幕上的特定位置向小鼠展示目標(biāo)，這個(gè)位置和神經(jīng)元原始的接受域不同。每當(dāng)目標(biāo)處于他們想要誘導(dǎo)的新的感受野位置時(shí)，他們會(huì)在小鼠的視覺皮層區(qū)閃爍藍(lán)光，加強(qiáng)神經(jīng)元的反應(yīng)，激發(fā)其他活動(dòng)。神經(jīng)元已經(jīng)被基因工程改造成可被閃光激活，這種技術(shù)被稱為“光遺傳學(xué)”。

作者El-Boustani說：“我們能重現(xiàn)大腦中單個(gè)神經(jīng)元，并在活體組織中見證分子機(jī)制的多樣性，他們讓這些細(xì)胞通過突觸可塑性整合成新功能，這項(xiàng)研究讓我們很激動(dòng)。”

隨著新感受野突觸的增長，研究人員在雙光子顯微鏡下看到附近的突觸縮小了。而在沒有光遺傳刺激的對照組中，他們沒有看到這些變化。

當(dāng)然，用光照對小鼠的神經(jīng)元進(jìn)行“改造”并非是自然操作，因此團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了另一個(gè)更經(jīng)典的“單眼剝奪”實(shí)驗(yàn)，其中他們暫時(shí)蒙蔽了老鼠的一只眼睛。這時(shí)候，與閉上的眼睛相關(guān)的神經(jīng)元中的突觸會(huì)減弱，而睜開眼睛的突觸會(huì)增強(qiáng)。之后當(dāng)把眼睛打開時(shí)，突觸會(huì)再次重新排列。研究人員監(jiān)測了這一活動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)隨著突觸的增強(qiáng)，周圍的突觸會(huì)削弱自身進(jìn)行補(bǔ)償。

那么，這項(xiàng)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的突破和機(jī)器學(xué)習(xí)有什么關(guān)系呢？

長久以來，深度學(xué)習(xí)界的研究者們認(rèn)為，對人類大腦的模擬是推動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)步的重要手段。在機(jī)器學(xué)習(xí)和認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的數(shù)學(xué)模型或計(jì)算模型，用于對函數(shù)進(jìn)行估計(jì)或近似。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在最初提出的時(shí)候，顯然是借鑒人腦的，權(quán)值更新規(guī)則是生物學(xué)中著名的Hebb’s rule，其表示經(jīng)常一起激活的神經(jīng)元連接會(huì)加強(qiáng)。另外，Yann LeCun在提出CNN的時(shí)候借鑒了人腦視覺處理分層的機(jī)制，并且CNN產(chǎn)生了和人腦非常一致的激活模式。

此外，論智君也曾報(bào)道過強(qiáng)化學(xué)習(xí)和人腦的多巴胺系統(tǒng)有著非常重要的聯(lián)系。DeepMind在上個(gè)月也發(fā)表論文，他們利用元學(xué)習(xí)框架，讓多巴胺系統(tǒng)訓(xùn)練大腦的前額葉皮質(zhì)層，使其學(xué)會(huì)獨(dú)立學(xué)習(xí)，從而將這一機(jī)制應(yīng)用于AI上。

雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到已經(jīng)可以玩游戲、查找路線了，但是想要做更復(fù)雜的動(dòng)作仍然非常困難，并且需要依賴數(shù)千小時(shí)的訓(xùn)練才能達(dá)到甚至超越人類水平。此前論智君曾報(bào)道過在NIPS 2017的神經(jīng)信息處理研討會(huì)上，有專家就探討過秀麗隱桿線蟲在促進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展上的作用。這種蠕蟲只有302個(gè)神經(jīng)元，但能做很多事情，例如導(dǎo)航、交配、尋找食物等。有人曾說，想讓人工智能完成人類做的事，就要先達(dá)到老鼠的水平。但是目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)想要達(dá)到秀麗隱桿線蟲的水平都還很困難，也就是說真實(shí)生物體的內(nèi)部還有許多等待我們發(fā)掘的奧秘。

再回到MIT的這項(xiàng)研究，這項(xiàng)研究揭示了一項(xiàng)非?；A(chǔ)的人腦活動(dòng)規(guī)則，雖然不涉及具體的優(yōu)化機(jī)制或BP算法，但是它們對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。