我國科學家揭示聽覺皮層編碼聽覺認知的新機制—新聞—科學網

探秘：大腦裡的信息分類

我國科學家揭示聽覺皮層編碼聽覺認知的新機制

徐寧龍研究員和論文第一作者博士研究生辛宇在安裝小鼠行為訓練裝置

（中科院科技攝影聯盟 曹發華 攝）

「你在哪裡呢？」當你接到這樣一個電話時，即使環境嘈雜、信號不好，你仍然可以不費吹灰之力就聽出電話那頭的聲音是熟人還是陌生人。每天，我們的大腦接收來自客觀世界的感覺信息紛繁複雜，大腦對外來刺激進行分類後，我們才有了感知判斷。那麼大腦是如何開展這項工作的呢？

中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室徐寧龍研究員團隊揭示了其中的奧秘，解析了大腦對感覺信息進行範疇化的皮層神經元群體運算機制。這項研究成果7月8日深夜在線發表於《神經元》。

垃圾需要分類，大腦信息更需要分類

為什麼大腦要對接收到的信息進行分類呢？

徐寧龍告訴《中國科學報》記者：「由於我們的大腦接每天接收到客觀世界的海量的感覺信息，而我們能夠形成的概念和採取的行動則數目卻非常有限。為了形成有意義的認知來指導我們的行為，我們的大腦需要對這些信息進行高效的組織管理，而其中最基本的過程就是範疇化。」 徐寧龍說，「『範疇化』簡單地說，就是『分類』」。

本世紀初，美國神經科學家就發現了與感知類別相對應的神經活動，並開啟了信息分類和感知覺範疇化神經機制研究新領域。然而，以往的研究側重的是神經運算的結果，對於感覺信息怎樣被轉化為離散的類別信息這一神經運算過程，並沒有明確答案。

大腦信息分類，不是個簡單的活兒

大腦是如何將複雜而又連續的刺激信息進行分類的？

為了解決這個問題，研究人員在小鼠中建立了一個基於聽覺的分類抉擇行為範式，結合活體雙光子成像技術，成功解析了對感覺信息進行範疇化的皮層神經元群體運算機制。

徐寧龍解釋：「聽到聲音，經過訓練的小鼠大腦中的一類神經元表現出對聲音類別的特異性反應，將不同頻率的純音歸類到『高音』或『低音』範疇。在『高音』和『低音」臨界點的分類過程中，小鼠會『糾結』。就好比我們在垃圾分類的時候，沒法判斷是「幹垃圾」還是「溼垃圾」，這時候我們需要求助他人，一起來想辦法研究如何分類。對於小鼠而言，這時大腦中的另外一類神經元，則表現出對於類別邊界頻率的聲音『選擇性反應』，聚集起來，協助小鼠進行判斷，完成分類任務。」

在徐寧龍看來最有趣的是，如果小鼠沒有被要求完成分類任務，這類神經元選擇性反應「難覓蹤跡」。「顯然，對神經元而言，這是一種任務依賴的動態調整。」

研究表明：在聽覺皮層中存在範疇抉擇相關的單細胞反應；聽覺皮層神經元的信息編碼會根據任務需要發生動態變化，有利於把連續的感覺信息轉化為與任務相關的分類信息。此外，研究也驗證了在分類任務狀態下聽覺皮層神經元活動能夠準確預測小鼠執行聽覺範疇分類任務。

有望提供人工智慧算法設計新思路

「我們揭示了聽覺皮層神經元群體可以根據分類任務的需要，動態調整信息編碼特性，有利於提高分類邊界分辨能力的群體編碼結構。」

徐寧龍表示：「這一成果對感覺皮層在認知過程中的信息處理機制提出了新的理解和預期，我們希望能有助於啟發人工智慧算法設計的新思路，比如優化算法、提高解析度等。」

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.06.004