多任务处理对这些脑细胞来说不是问题:单个脑细胞可以识别汽车和猫

(PhysOrg.com)——麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的研究人员发现，单个脑细胞在面对困难任务时，可以识别出像跑车和狗这样不同的物体。

在人类和其他灵长类动物中，前额叶皮层是学习、决策和计划等高级功能的所在地。长期以来，神经科学家一直想知道，大脑这部分的神经元是专门用于一种任务，还是“通才”——也就是说，能够参与多种功能。麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的一项新研究支持通才理论。

麻省理工学院教授厄尔·米勒(Earl Miller)和他实验室的其他人表明，当他们训练猴子执行两种不同的分类任务时，大约一半的神经元可以在这两种任务之间切换。该研究结果发表在6月10日的《柳叶刀》杂志上神经元，表明前额叶皮层的神经元比大脑其他部分的神经元有更强的适应不同认知需求的能力。这些结果支持了米勒十年前首次提出的关于神经元(处理和传递信息的神经系统细胞)可塑性的观点。

米勒是麻省理工学院大脑与认知科学系的皮考尔神经科学教授，他说他对这些发现并不感到惊讶。“我们有很大的心理灵活性，”他说。“我们可以改变我们的话题，我们可以改变我们的想法。大脑的某些部分必须在神经层面上具有这种灵活性。”

监听单个神经元

大多数研究猴子大脑活动的神经科学家只训练猴子完成一项任务，因此直到现在还无法揭示前额叶皮层中的单个神经元是否可以参与多项工作。

在之前的研究中，米勒已经证明，当猴子被训练通过区分猫和狗来对动物进行分类时，前额叶皮层中的一些神经元会对“猫”的概念进行调整，而另一些神经元则对“狗”的概念做出反应。

这一次，米勒、博士后杰森·克罗默和研究科学家杰斐逊·罗伊训练猴子执行两项不同的分类任务——区分猫和狗，以及轿车和跑车。他们记录了猴子前额叶皮层中大约500个神经元的活动，当动物在任务之间来回切换时。

尽管他们发现一些神经元更适应汽车图像，而另一些更适应动物图像，但他们也发现许多神经元在这两种任务中都是活跃的。事实上，这些“多任务处理”神经元最擅长在这两种类别中做出正确的识别。

米勒说，研究结果表明，前额叶皮层的神经元有一种独特的能力来适应不同的任务。早期的研究表明，在大脑的其他部分，大多数神经元是高度特化的。例如，视觉皮层中的神经元被编程为对非常具体的输入做出反应，比如一条垂直线或某种颜色。有些人甚至只对一张特定的脸做出反应。

“我们的研究结果表明，前额叶皮层不同于感觉皮层和运动皮层。它的可塑性很强，”米勒说。“这很重要，因为这意味着人类大脑有吸收大量信息的能力。”

《神经元》的研究集中在两项分类任务上，但米勒希望进行另一项研究，让猴子学习涉及其他认知功能的第三项任务。芝加哥大学(University of Chicago)神经生物学助理教授戴维·弗里德曼(David Freedman)说，这可能为我们的大脑能处理多少信息提供了另一个线索。

他说:“我们非常擅长学习数十个、数百个甚至数千个类别。“你想知道是否存在某种限制，或者这些神经元会像我们作为观察者一样灵活吗?”

弗里德曼说，他也有兴趣看看同样的前额皮质神经元是否可以在涉及不同种类感官输入的活动之间进行多任务处理——例如，视觉任务和听觉任务。

过度刺激

与此同时，米勒正在进行一项研究，他认为这项研究可以证明自闭症患者分类能力受损的生物学基础。自闭症儿童通常很难理解两个略有不同的物体——例如，红色牙刷和蓝色牙刷——都属于同一个类别。

米勒的理论是，大脑中进化较老的部分，即基底神经节，收集有关新物体的信息，前额叶皮层学习如何对它们进行分类。他说:“基底神经节学习拼图的碎片，前额叶皮层把碎片拼在一起。”

在他目前的研究中，米勒正在监测猴子在学习分类任务时的大脑活动。他预计，当猴子知道某些物体属于同一类别时，前额皮质的活动会出现一个尖峰。

最终，他希望证明，在自闭症患者中，这两个大脑区域之间的平衡被打破了:要么是基底神经节活动过多，要么是前额叶皮层活动不足。