在適應性大腦中尋找一些穩定性 | MIT新聞

大腦的適應能力

大腦最令人讚嘆的特質之一就是它的適應能力。神經迴路的連結會隨著我們的經歷和與世界互動而不斷調整，這對於我們的學習非常重要。但為了保持知識和記憶的完整性，某些部分的迴路必須對這種不斷的變化具有抵抗力。

麻省理工學院 (MIT) 的神經科學家馬克·哈內特 (Mark Harnett) 說：「大腦已經找到了在穩定性和靈活性之間取得平衡的方法，這樣你就可以進行新的學習，並擁有終身的記憶。」在《細胞報告》期刊的8月27日刊中，哈內特和他的團隊展示了單個神經元如何同時貢獻於這種重要的雙重性。他們研究了大腦感覺皮層中金字塔神經元之間的突觸，了解這些細胞如何保持對世界一些基本特徵的理解，同時又保持適應變化世界所需的靈活性。

視覺連結

金字塔神經元通過數千個連接點接收其他神經元的輸入。在生命的早期，這些突觸非常可塑；隨著年輕動物接收視覺信息並學會解釋它，突觸的強度會發生變化。大多數突觸在成年後仍然保持適應性，但哈內特的團隊發現，當動物不到一個月大時，某些細胞的突觸會失去靈活性。擁有穩定和靈活的突觸意味著這些神經元可以將來自不同來源的輸入結合起來，以靈活的方式使用視覺信息。

博士後研究員科特尼·耶格 (Courtney Yaeger) 近距離觀察了這些異常穩定的突觸，這些突觸聚集在金字塔細胞的狹窄區域。她對這些細胞接收主要視覺信息的連接感興趣，因此她追蹤了它們與大腦視覺處理中心的連接，這個中心叫做背外側膝狀體 (dorsal lateral geniculate nucleus, dLGN)。

神經元接收來自其他細胞信號的長延伸部分稱為樹突，這些樹突從細胞的主體分支出來，形成樹狀結構。樹突上的刺狀突起形成了將金字塔神經元與其他細胞連接的突觸。耶格的實驗顯示，來自 dLGN 的連接都指向金字塔細胞的一個特定區域——她所描述的樹突樹幹中的一個緊密帶。

耶格發現這個區域的突觸（正式稱為尖端斜樹突區域）與同一細胞上其他突觸的不同之處。她說：「它們實際上並不遠，但它們的特性完全不同。」

穩定的突觸

在一組實驗中，耶格激活了金字塔神經元上的突觸，並測量了對細胞電位的影響。神經元電位的變化會產生細胞用來相互通信的脈衝。當附近的突觸也被激活時，突觸的電效應通常會放大。但是，當信號傳遞到尖端斜樹突區域時，每個信號的效果都相同，無論激活了多少突觸。哈內特說，那裡的突觸根本不會相互作用。「它們只是做它們該做的事情。無論鄰近的突觸在做什麼，它們都只是做相同的事情。」

團隊還能夠可視化單個突觸的分子成分。這揭示了尖端斜樹突中某種神經傳遞物質受體（稱為 NMDA 受體）的驚人缺乏。這一點很重要，因為 NMDA 受體在大腦變化中扮演著重要角色。哈內特說：「一般來說，當我們談論任何形式的學習、記憶和可塑性時，都是 NMDA 受體在起作用。這是所有大腦中學習和記憶最常見的基礎。」

當耶格用電刺激尖端斜突觸，產生會加強大多數突觸的活動模式時，團隊發現 NMDA 受體有限存在的後果。突觸的強度並沒有改變。耶格說：「就我們測試的情況而言，那裡沒有依賴活動的可塑性。」

研究人員表示，這是有道理的，因為細胞來自丘腦的連接傳遞眼睛檢測到的主要視覺信息。正是通過這些連接，大腦學會識別基本的視覺特徵，如形狀和線條。

哈內特解釋說：「這些突觸基本上是這些視覺信息的穩健、高保真的讀出。這就是它們所傳遞的，並且不受上下文影響。因此，無論有多少其他突觸在活動，它們都只是做它們要做的事情，並且你無法根據活動來修改它們。因此，它們非常非常穩定。」

耶格補充說：「你實際上不希望它們是可塑的。你能想像睡覺後忘記垂直線的樣子嗎？那將是災難性的。」

通過在不同年齡的老鼠中進行相同的實驗，研究人員確定，連接金字塔神經元和丘腦的突觸在年輕老鼠首次睜開眼睛幾週後變得穩定。哈內特說，到了那時，它們已經學會了所有需要學習的東西。另一方面，如果老鼠在生命的前幾週待在黑暗中，這些突觸就永遠不會穩定——這進一步證明了這一過渡依賴於視覺經驗。

團隊的發現不僅有助於解釋大腦如何平衡靈活性和穩定性；它們還可能幫助研究人員教人工智慧如何做到這一點。哈內特說，人工神經網絡在這方面的表現往往很糟糕：當一個表現良好的人工神經網絡被訓練去做新的事情時，它幾乎總是會經歷「災難性遺忘」，無法再執行其原始任務。哈內特的團隊正在探索如何利用他們對真實大腦的了解來克服這一問題。