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抽象分类思维从何而来?小鼠能告诉你答案

时间: 2021年05月06日 | 作者: Admin | 来源: 马克斯·普朗克学会
该研究表明小鼠具有超强抽象能力,因而具备复杂的思维,并揭示了与分类学习有关的神经基础。


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图片来源:Pixabay


来源 马克斯·普朗克学会

翻译 胡琦琳

审校 戚译引


分类是大脑用于处理我们日常生活中遇到的几乎所有事物的工具。将信息进行分类,可以简化我们对复杂世界的认识,帮助我们快速、有效地应对新的体验。日前,德国马克斯·普朗克神经生物学研究所(Max Planck Institute of Neurobiology)的科学家们的一项研究表明,出人意料,小鼠也具备很好的分类能力。研究人员确定了编码学习分类的神经元,并证明了抽象信息是如何在神经元水平上体现的。


假设一名幼儿正在看一本新的图画书。这时,他突然指着一幅插图,喊着“椅子”。孩子说对了,但这对我们来说似乎没什么特别的。我们可以毫不费力地认出各种各样的椅子,并称之为“椅子”。然而,这对于幼儿来说是一个突破性的学习过程。做到这点需要把书中画的椅子和我们所知的椅子联系起来,而且这些椅子还可能有不同的形状或颜色。这个孩子是怎么做到的呢?


这个答案就是我们思维的基本要素——分类。该研究的第一作者 Sandra Reinert 说:“每当小孩遇到一把椅子,他就会记住这样的经历。根据椅子与椅子之间的相似性,小孩的大脑会将椅子的属性和功能抽象成‘椅子’类别。这就使得小孩可以很快地将新椅子与它所属的类别以及所包含的信息联系起来。”


我们的大脑会不断地进行分类:不仅在童年时期对椅子进行分类,而是对于在任何年龄阶段遇到的任何信息,我们都会将其进行分类。这可以为我们带来什么好处呢?这项研究的资深作者 Pieter Goltstein 说:“我们的大脑正试图找到一种方法,来简化和组织我们的世界。如果没有分类,我们就不能如此高效地与环境互动。”换句话说,如果没有这种能力,那么每遇到一把椅子,我们都要经过学习才知道可以坐上去。因此,将感觉输入进行分类对我们来说至关重要,但大脑实现这一功能的潜在过程在很大程度上是未知的。



小鼠的分类能力好得出奇!


Sandra Reinert 和 Pieter Goltstein 与马克斯·普朗克神经生物学研究所的研究组组长 Mark Hübener 和主任 Tobias Bonhoeffer 一起,研究了大脑如何存储像习得分类这样的抽象信息。由于这很难在人类身上进行研究,科学家们检验了小鼠的分类方式是否与人类相似。为了验证这一点,他们向小鼠展示了不同的条纹图案图片,并限定分类规则。其中一组小鼠根据条纹的宽度将图片分成两类,另一组则根据条纹的方向进行分类。研究发现,小鼠能够学习各自的分类规则,并正确地将图片分类到正确的类别。经过最初的训练阶段后,它们也能把之前没见过的条纹图案归类到正确的类别中,就像那个拿着新书的小孩一样。


不仅如此,当研究人员改变分类规则时,小鼠也会忽略之前学过的东西,根据新的规则重新分类图片——这也是我们人类在学习新事物时一直在做的事情。因此,这项研究首次证明了小鼠在何种程度上、以何种精度进行分类,从而接近我们的抽象能力。



神经元逐渐发展出分类表征


有了这项发现,研究人员就能在小鼠大脑中研究分类的基础。他们关注的是前额叶皮层——人类参与复杂思维过程的大脑区域。研究表明,当小鼠把条纹图案进行分类时,这一区域的某些神经元被激活。有趣的是,不同神经元组会对不同分类选择性地作出响应。


Tobias Bonhoeffer 解释道:“小鼠大脑中分类-选择神经元的发现是一个关键点。这使得我们第一次能够观察到这些神经元从学习分类开始到结束的活动。这表明神经元的分类能力不是立即获得的,而是在学习过程中逐渐形成的。”



分类-选择神经元是长期记忆的一部分


科学家们认为,只有当获得的知识从短期记忆转变为长期记忆时,前额叶皮质中的分类-选择神经元(category-selective neurons)才会发挥作用。在那里,这些细胞将这些分类作为语义记忆的一部分储存起来,其中语义记忆是所有事实知识的集合。在这个背景下应该记住,我们学习的分类技能是大脑用以更简单地认识世界的方式。然而,这也意味着这些分类不一定是“对的”,或正确地反映了事实。


通过研究小鼠的分类学习,该研究为理解抽象思维的神经元基础增加了重要的细节,并提醒我们复杂的思维并不仅仅是人类独有的。


原文链接:https://eurekalert.org/pub_releases/2021-04/m-sow041721.php