神經元“隱藏”的運算能力被發現

黃珊

人類大腦的信息處理能力，被認為由神經元之間的數萬億連接所支撐。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移到了單個神經元上，并發現這些神經元似乎承擔著比我們想象的要多得多的計算。

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

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

樹突引起了洪堡（Humboldt） 神經科學家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元和許多樹突。當用電流刺激那些樹突時，研究人員發現了一些奇怪的東西———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更長時間。

為了弄清楚這種新型波動可能發揮的作用， 團隊與Poirazi和她在希臘的實驗室的研究員Athanasia Papoutsi合作，共同創建了一個模型來模擬這種神經元行為。然而，不是所有的神經元都有這種現象。一個可能性是，類似于多層網絡的神經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：“也許某些個神經元就能執行復雜的功能。擁有如此強大的單個神經元，可能有助于大腦節省能耗”。

盡管仍有許多工作要做，但研究人員認為，這些發現標志著需要重新思考如何為大腦及其更廣泛的功能建模。僅關注不同神經元和大腦區域的連通性是不夠的。新結果似乎也有望影響機器學習和人工智能領域的問題?，F在的人工神經網絡依賴于點模型，將神經元視為單點輸入并通過活動函數傳遞總和的節點。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元可能會是復雜的計算設備”。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，但計算機科學家可能對此快速反應以改善現在的AI神經網絡。