我们聪明的大脑如何实现举一反三？Nature：科学家首次揭秘大脑中抽象化与推理过程的神经科学奥秘

人类之所以能迅速适应多变的环境，很大程度上归功于我们卓越的认知灵活性。近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“Abstract representations emerge in human hippocampal neurons during inference”的研究报告，揭示了人类大脑如何通过脑细胞的协同工作，如同一群鸟儿精准编队飞行，使我们在面对新挑战时变得更加机智。这项由西达赛奈医学中心的研究团队主导的工作，首次解析了大脑中抽象化和推理这两个关键的认知过程是如何在神经层面实现的。

研究的领导者，Ueli Rutishauser教授解释道，抽象化使我们能够在纷繁的信息中筛选出无关紧要的部分，聚焦于真正重要的细节，从而做出有效决策。推理则基于我们已有的知识，对未知情境做出合理的预测。这两项能力是认知和学习的核心要素，帮助我们在陌生环境中迅速学习并采取恰当行动。

一个生动的例子是，一位美国司机初次在伦敦驾驶租来的汽车——由于英国的交通规则与美国截然不同（英国驾驶靠左，美国靠右），美国司机必须迅速调整自己的驾驶习惯，这背后就涉及到抽象化（专注于驾驶侧的不同）和推理（预测对面车辆的路径以避免碰撞）的过程。

为了探究这一现象背后的神经机制，研究人员对17位因癫痫诊断而植入大脑电极的病人进行了实验。当参与者在电脑上完成推理任务时，科学家们监测了数千个神经元的活动。如此庞大的数据量需要借助人工智能的帮助才能分析出有意义的模式，从而观察到在成功推理过程中神经元间的协调互动。尽管这些互动可能呈现出高维的几何形态，难以直观展示，但通过数学方法，研究者们能将其转化为三维图像，便于理解和分析。

科学家首次阐释出人类大脑中抽象和推理的神经系统过程

图片来源：Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07799-x

在实验中，科学家给参与者呈现了四张常见的图片——人、猴子、汽车和西瓜，要求他们通过按左右按钮来对每张图片作出反应。每当按下按钮，系统会反馈“正确”或“错误”。经过多次练习，参与者掌握了正确的反应方式。然而，突然间，游戏规则反转，原本错误的答案变成了正确答案，但参与者对此毫不知情。有趣的是，一部分参与者能够迅速察觉到规则的变化，并无需额外学习便能推断出新的正确反应，这表明他们的推理能力在正常运作。

在这些表现出推理能力的参与者大脑中，研究者观察到了令人惊叹的现象——神经元群组以一种高度协调的方式放电，这种模式与鸟群编队飞行或观众在比赛中自发形成的整齐呼喊类似。这种神经元的协调活性和它们编码信息的方式，显示出参与者获得了完成任务所需的抽象知识。而在那些无法成功推理的参与者大脑中，则未发现此类神经模式。

研究者Hristos Courellis指出，形成抽象知识是学习过程中的关键一环，他们在这项研究中揭示了这一过程背后的神经机制。对于部分初始无法仅凭任务经验进行推理的参与者，研究者给予口头指导以帮助他们推断正确答案。引人瞩目的是，接受了口头指导的参与者与那些通过经验学习推理的参与者，在大脑中展现出相似的神经几何图形，这表明口头指导可以加速学习过程，促进抽象知识的神经表征形成，否则这可能需要更长的时间。

Merav Sabri博士强调，这项研究为理解大脑如何使我们灵活地学习新事物、应对不断变化的情境提供了全新视角。这些发现基于知识构建的基础，未来可能有助于开发针对记忆和决策障碍相关神经系统及精神疾病的创新治疗策略。

令研究团队感到意外的是，这些独特的大脑活动模式仅出现在海马体中——一个深藏于大脑中心、对长期记忆形成至关重要的区域。这一发现深化了科学家对海马体在学习过程中作用的认识。研究人员总结称，这是他们首次明确证实人类海马体在抽象知识学习和推理活动中扮演关键角色。鉴于多种神经系统疾病如阿尔茨海默病、强迫症和精神分裂症都与大脑功能异常有关，此次研究成果有望为解释这些疾病患者面临的决策困难提供线索。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Courellis, H.S., Minxha, J., Cardenas, A.R. et al. Abstract representations emerge in human hippocampal neurons during inference. Nature (2024). doi：10.1038/s41586-024-07799-x