神經(jīng)元“隱藏”的運算能力被發(fā)現(xiàn)

黃珊

人類大腦的信息處理能力，被認為由神經(jīng)元之間的數(shù)萬億連接所支撐。但是在過去的幾十年中，越來越多的研究正在將視線焦點轉(zhuǎn)移到了單個神經(jīng)元上，并發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)元似乎承擔著比我們想象的要多得多的計算。

一項最新證據(jù)是，科學家發(fā)現(xiàn)人類皮層上存在著一種新型電信號。在近日《科學》上發(fā)表的一篇論文“Dendritic actionpotentials and computation inhuman layer 2/3 cortical neurons”中，研究人員發(fā)現(xiàn)，皮質(zhì)神經(jīng)元樹突上的微小區(qū)室（tinycompartments）可以執(zhí)行特定的“異或”數(shù)學計算。而在這之前，數(shù)學理論家們都認為單個神經(jīng)元是無法進行這類計算的，也就是說，不僅單個神經(jīng)元，甚至神經(jīng)元的樹突上的部分都可以進行“異或”運算，神經(jīng)元本身不再只是一個純粹的連接器，它們同樣能夠執(zhí)行復雜運算，甚至就是一個多層網(wǎng)絡(luò)。

此前，這些策略多基于將神經(jīng)元視為簡單的非智能開關(guān)的觀點而建構(gòu)。在20世紀40年代和20世紀50年代，神經(jīng)科學的主流看法是：“啞”神經(jīng)元（“dumb”neuron）是一個簡單的積分器，只是網(wǎng)絡(luò)中一個點，僅對其輸入進行求和;細胞的分支延伸稱為樹突，從鄰近神經(jīng)元接收成千上萬的信號;在神經(jīng)元內(nèi)部，所有那些信號都將被加權(quán)和計數(shù)，如果總和超過某個閾值，神經(jīng)元會發(fā)出一系列電脈沖，指導相鄰神經(jīng)元的刺激。大約在同一時期，研究人員意識到，單個神經(jīng)元也可以起到邏輯門的作用，類似于數(shù)字電路中的邏輯門，例如如果僅在收到足夠數(shù)量的輸入后才觸發(fā)神經(jīng)元，那么它實際上就是一個AND 門。

樹突引起了洪堡（Humboldt） 神經(jīng)科學家Matthew Larkum和他的團隊的興趣。但他們很快又想到了另一個問題。由于樹突活性主要是在嚙齒動物中進行研究的，研究人員希望可以研究在具有更長樹突的人類神經(jīng)元中電信號傳導可能存在的不同。在這次的研究中，他們從人類皮質(zhì)的第2層和第3層中獲得了腦組織切片，其中包含特別大的神經(jīng)元和許多樹突。當用電流刺激那些樹突時，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的東西———一些意外存在的周期性反復的波動。這些波動似乎完全不同于其他已知種類的神經(jīng)信號。它們特別迅速而短暫，如同由鈣離子通量引起的動作電位一般。但常規(guī)的動作電位常由鈉和鉀離子引起的。而且，雖然先前已在嚙齒動物的樹突中觀察到鈣誘導的信號傳導，但這些波峰往往持續(xù)更長時間。

為了弄清楚這種新型波動可能發(fā)揮的作用， 團隊與Poirazi和她在希臘的實驗室的研究員Athanasia Papoutsi合作，共同創(chuàng)建了一個模型來模擬這種神經(jīng)元行為。然而，不是所有的神經(jīng)元都有這種現(xiàn)象。一個可能性是，類似于多層網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元具有更大的處理能力，因此可以學習或存儲更多的信息。研究人員說：“也許某些個神經(jīng)元就能執(zhí)行復雜的功能。擁有如此強大的單個神經(jīng)元，可能有助于大腦節(jié)省能耗”。

盡管仍有許多工作要做，但研究人員認為，這些發(fā)現(xiàn)標志著需要重新思考如何為大腦及其更廣泛的功能建模。僅關(guān)注不同神經(jīng)元和大腦區(qū)域的連通性是不夠的。新結(jié)果似乎也有望影響機器學習和人工智能領(lǐng)域的問題?，F(xiàn)在的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依賴于點模型，將神經(jīng)元視為單點輸入并通過活動函數(shù)傳遞總和的節(jié)點。紐約大學的認知科學家Gary Marcus說：“很少有人認真考慮過單個神經(jīng)元可能會是復雜的計算設(shè)備”。他補充說，盡管這篇論文只是證明這一想法的一個初步證據(jù)，但計算機科學家可能對此快速反應(yīng)以改善現(xiàn)在的AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。