MIT研究揭示大脑可塑性基本规则

MIT最新研究证实，当一个神经元突触增强时，它周围的神经元会变弱。这对于当下大热的神经网络来说，又会有怎样的启示呢？

我们的大脑非常灵活，这一切都得益于大脑的可塑性（plasticity）。过去的科学家认为在婴儿关键期后，大脑的结构往往不发生变化。但是在1992年，Richard Davidson提出，重复性的经验可以改变大脑结构。大脑的结构可塑性是指大脑内部的突触、神经元之间的连接可以由于学习和经验的影响建立新的连接，从而影响个体的行为。不过，神经科学家们表示，如果某些连接增强，神经元必须对此进行补偿，否则就会被输入所淹没。在一项新的研究中，MIT Picower学习与记忆研究所的科学家们首次展示了这一平衡是如何达到的：当一个连接（突触）增强时，临近的突触会根据Arc（一种重要的蛋白质）的反应变弱。

论文的第一作者Mriganka Sur将这一行为比作海中的鱼群，只要领头的鱼转变了方向，其他的鱼会遵循它的轨迹，一起转向，在大海中呈现表演一场曼妙的“舞蹈”。

“复杂系统的集体行为通常有着简单的规则，当一个神经突触增强，50微米之内一定有其他突触的力量在分子机制下减弱”，科学家们表示。这一发现解释了突触是如何在神经元发挥可塑性上进行增减的。

论文概述

虽然这一发现的结论很简单，但是实验的过程却很复杂。在一个关键实验中，科学家们通过改变神经元的“接受域”或它对应的视觉域触发了可塑性。神经元通过突触在末端的树突上接收输入，为了改变神经元的感受域，科学家们确定了神经元相关树突上的中心位置，然后密切监测突触的变化，他们用小鼠作为实验对象，在屏幕上的特定位置向小鼠展示目标，这个位置和神经元原始的接受域不同。每当目标处于他们想要诱导的新的感受野位置时，他们会在小鼠的视觉皮层区闪烁蓝光，加强神经元的反应，激发其他活动。神经元已经被基因工程改造成可被闪光激活，这种技术被称为“光遗传学”。

作者El-Boustani说：“我们能重现大脑中单个神经元，并在活体组织中见证分子机制的多样性，他们让这些细胞通过突触可塑性整合成新功能，这项研究让我们很激动。”

随着新感受野突触的增长，研究人员在双光子显微镜下看到附近的突触缩小了。而在没有光遗传刺激的对照组中，他们没有看到这些变化。

当然，用光照对小鼠的神经元进行“改造”并非是自然操作，因此团队进行了另一个更经典的“单眼剥夺”实验，其中他们暂时蒙蔽了老鼠的一只眼睛。这时候，与闭上的眼睛相关的神经元中的突触会减弱，而睁开眼睛的突触会增强。之后当把眼睛打开时，突触会再次重新排列。研究人员监测了这一活动，并发现随着突触的增强，周围的突触会削弱自身进行补偿。

那么，这项神经科学领域的突破和机器学习有什么关系呢？

长久以来，深度学习界的研究者们认为，对人类大脑的模拟是推动神经网络进步的重要手段。在机器学习和认知科学领域，人工神经网络是一种模仿生物神经网络的结构和功能的数学模型或计算模型，用于对函数进行估计或近似。深度神经网络在最初提出的时候，显然是借鉴人脑的，权值更新规则是生物学中著名的Hebb’s rule，其表示经常一起激活的神经元连接会加强。另外，Yann LeCun在提出CNN的时候借鉴了人脑视觉处理分层的机制，并且CNN产生了和人脑非常一致的激活模式。

此外，论智君也曾报道过强化学习和人脑的多巴胺系统有着非常重要的联系。DeepMind在上个月也发表论文，他们利用元学习框架，让多巴胺系统训练大脑的前额叶皮质层，使其学会独立学习，从而将这一机制应用于AI上。

虽然神经网络发展到已经可以玩游戏、查找路线了，但是想要做更复杂的动作仍然非常困难，并且需要依赖数千小时的训练才能达到甚至超越人类水平。此前论智君曾报道过在NIPS 2017的神经信息处理研讨会上，有专家就探讨过秀丽隐杆线虫在促进机器学习发展上的作用。这种蠕虫只有302个神经元，但能做很多事情，例如导航、交配、寻找食物等。有人曾说，想让人工智能完成人类做的事，就要先达到老鼠的水平。但是目前，神经网络想要达到秀丽隐杆线虫的水平都还很困难，也就是说真实生物体的内部还有许多等待我们发掘的奥秘。

再回到MIT的这项研究，这项研究揭示了一项非常基础的人脑活动规则，虽然不涉及具体的优化机制或BP算法，但是它们对神经网络的学习和进一步发展具有重要意义。