2018年11月19日

大脑如何在不同的规则之间切换

认知灵活性——大脑根据环境在不同规则或行动计划之间切换的能力——是我们许多日常活动的关键。例如，假设你正在高速公路上以65英里每小时的速度行驶。当你出到当地的街道上时，你意识到情况已经改变，你需要减速。

当我们像这样在不同的环境中移动时，我们的大脑会在脑海中保留多套规则，以便在必要时切换到适当的规则。这些任务规则的神经表示在前额叶皮层大脑中负责计划行动的部分。

麻省理工学院的一项新研究发现，丘脑的一个区域是在不同环境下所需规则之间切换过程的关键。这个区域被称为背侧丘脑，它抑制当前不需要的表征。这种抑制还可以保护这些表征作为短期记忆，在需要时可以重新激活。

大脑和认知科学助理教授、麻省理工学院麦戈文大脑研究所(McGovern Institute for brain Research)成员迈克尔·哈拉萨(Michael Halassa)说:“这似乎是一种在不相关和相关的上下文之间切换的方法，一个优点是它可以保护当前不相关的表示不被覆盖。”

Halassa是这篇论文的资深作者，这篇论文发表在11月19日的《美国医学杂志》上自然神经科学．这篇论文的第一作者是前麻省理工学院的研究生Rajeev Rikhye，他现在是Halassa实验室的博士后。Aditya Gilra，波恩大学博士后，也是一名作家。

改变规则

先前的研究发现，前额叶皮层对认知灵活性至关重要，而丘脑的一个叫做背中丘脑的部分也有助于这种能力。在2017年发表于自然， Halassa和他的同事们发现，通过暂时加强前额叶皮层中编码特定想法的神经元连接，背中丘脑有助于前额叶皮层将一个想法牢记在心。

在这项新研究中，Halassa想进一步研究背侧丘脑和前额叶皮层之间的关系。为了做到这一点，他创造了一个任务，让老鼠学会在两种不同的环境中来回切换——一种是它们必须遵循视觉指令，另一种是它们必须遵循听觉指令。

在每次试验中，小鼠都被给予一个视觉目标(向右或向左的闪光)和一个听觉目标(从高音扫到低音的音调，或反之)。这些目标提供了相互矛盾的指示。其中一个告诉老鼠向右移动以获得奖励;另一个告诉它向左。每次试验开始前，都会给老鼠一个提示，告诉它们是跟随视觉目标还是听觉目标。

Halassa说:“动物解决任务的唯一方法是在整个延迟过程中一直记住线索，直到给出目标。”

研究人员发现，丘脑的输入对于小鼠成功地从一个环境切换到另一个环境是必要的。当他们在一系列情境不变的试验提示期间抑制背侧丘脑时，对表现没有影响。然而，如果他们在切换到不同的环境时抑制了背侧丘脑，那么小鼠转换需要更长的时间。

通过对前额叶皮层神经元的记录，研究人员发现，当背侧丘脑被抑制时，前额叶皮层对旧环境的表征无法关闭，这使得切换到新环境变得更加困难。

Halassa说，除了帮助大脑在不同情境之间切换之外，这个过程似乎还有助于维持当前未被使用的情境的神经表示，这样它就不会被覆盖。这允许它在需要时再次被激活。小鼠可以在数百次试验中保持这些表征，但第二天，它们必须重新学习与每个上下文相关的规则。

多任务处理人工智能

Halassa说，这些发现有助于指导更好的人工智能算法的开发。人类的大脑非常擅长学习许多不同种类的任务——唱歌、走路、说话等等。然而，神经网络(一种基于类似神经元的互联节点的人工智能)通常只擅长学习一件事。当他们试图学习新的东西时，这些网络会受到一种叫做“灾难性遗忘”的现象的影响任务，以前的任务将被覆盖。