脑机启侦|早期大脑结构如何为有效学习做好准备（09.13）

摘要：当进入眼睛的光模式被转换成可靠的大脑活动模式时，视觉就产生了。这种可靠性使大脑每次看到同一个物体时都能识别出来。然而，我们的大脑并非天生就具备这种能力，而是通过视觉经验发展而来的。MPFI 和法兰克福高等研究院的合作科学家最近发现了导致可靠大脑活动模式成熟的关

当进入眼睛的光模式被转换成可靠的大脑活动模式时，视觉就产生了。这种可靠性使大脑每次看到同一个物体时都能识别出来。然而，我们的大脑并非天生就具备这种能力，而是通过视觉经验发展而来的。MPFI 和法兰克福高等研究院的合作科学家最近发现了导致可靠大脑活动模式成熟的关键回路变化。

他们的研究成果本周发表在《神经元》杂志上，可能不仅限于视觉领域，还为理解大脑在发育早期阶段独特的适应和快速学习能力提供了一个框架。

光与大脑：视觉如何产生

RESEARCH INTRODUCTION

大脑是一个高度组织化的结构。与其他脑区一样，视觉区域也具有其自身的结构，科学家称之为模块。这种模块化组织由神经元斑块组成，这些神经元斑块会在特定信息响应时同时激活。例如，一些神经元斑块会在看到垂直条纹时同时激活，而另一些神经元斑块则会在看到水平条纹时同时激活。

在成熟的大脑中，专门用于响应特定特征而激活的模块彼此高度互联，使得这些模块能够可靠地响应该特征而同时激活。这种可靠性对于动物解读周围环境并做出基于视觉的决策至关重要。然而，人们对这种可靠性背后的结构是如何发展的知之甚少。

该研究的资深作者大卫·菲茨帕特里克博士描述了他们研究的理由，“我们的目标是了解大脑如何发展解释视觉信息的能力。我们的团队之前发现，当眼睛第一次睁开时，大脑对同一视觉场景的反应是不一致的。

“每次都会有不同组的神经元做出反应，这限制了大脑理解周围环境的能力。值得注意的是，在短时间内，这些反应变得高度可靠，形成了一致的模式，使大脑能够解读视觉世界并指导行为。”

为了确定大脑中模块化反应的可靠性，科学家需要测量进入模块的视觉信息以及视觉体验前后模块对该信息的响应。他们的发现令人惊讶：在体验之前，信息匹配度并不高。例如，发送水平线信息的神经元与专门响应垂直线而非水平线的模块同时活跃。

超越视觉：未来研究展望

RESEARCH SIGNIFICANCE

为了更好地理解数据，科学家们基于已知的与视觉相关的大脑回路的结构和功能，开发了一个描述性计算模型。该模型帮助他们理解数据，并预测哪些因素对于从他们测量的未成熟反应中发展出可靠的大脑反应最为重要。

该模型确定了应该发生的两个重大变化：模块接收的视觉信息的可靠性必须提高。进入模块的信息必须与这些模块之间的连接更好地保持一致。

与模型的第一个因素一致，科学家们发现，在视觉体验之前，神经元有时会向代表某个特征的模块发送信息，有时会向代表另一个特征的模块发送信息。在视觉体验之后，神经元会持续向模块发送相同的信息。但仅凭这一因素不足以产生可靠的模块响应。科学家们还发现了模型预测的证据，表明在体验之前，互连的模块会接收代表不同特征的信息，这与经验回路中高度互连的模块对相似特征做出反应的情况相反。

“我们的研究成果令人兴奋之处在于，它们展示了一种让大脑学习得更好、更快的新策略。大脑进化到这样的程度：在发育早期，甚至在眼睛睁开之前，它就被赋予了产生以模块形式组织起来的活动模式的能力。这种特性通过将来自外界的重要信息与模块结构进行匹配，使大脑在睁开眼睛后能够高效学习。”第一作者奥古斯托·伦佩尔博士描述道。