MIT最新研究證實,當(dāng)一個神經(jīng)元突觸增強時,它周圍的神經(jīng)元會變?nèi)?。這對于當(dāng)下大熱的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說,又會有怎樣的啟示呢?
我們的大腦非常靈活,這一切都得益于大腦的可塑性(plasticity)。過去的科學(xué)家認為在嬰兒關(guān)鍵期后,大腦的結(jié)構(gòu)往往不發(fā)生變化。但是在1992年,Richard Davidson提出,重復(fù)性的經(jīng)驗可以改變大腦結(jié)構(gòu)。大腦的結(jié)構(gòu)可塑性是指大腦內(nèi)部的突觸、神經(jīng)元之間的連接可以由于學(xué)習(xí)和經(jīng)驗的影響建立新的連接,從而影響個體的行為。不過,神經(jīng)科學(xué)家們表示,如果某些連接增強,神經(jīng)元必須對此進行補償,否則就會被輸入所淹沒。在一項新的研究中,MIT Picower學(xué)習(xí)與記憶研究所的科學(xué)家們首次展示了這一平衡是如何達到的:當(dāng)一個連接(突觸)增強時,臨近的突觸會根據(jù)Arc(一種重要的蛋白質(zhì))的反應(yīng)變?nèi)酢?/p>
論文的第一作者Mriganka Sur將這一行為比作海中的魚群,只要領(lǐng)頭的魚轉(zhuǎn)變了方向,其他的魚會遵循它的軌跡,一起轉(zhuǎn)向,在大海中呈現(xiàn)表演一場曼妙的“舞蹈”。
“復(fù)雜系統(tǒng)的集體行為通常有著簡單的規(guī)則,當(dāng)一個神經(jīng)突觸增強,50微米之內(nèi)一定有其他突觸的力量在分子機制下減弱”,科學(xué)家們表示。這一發(fā)現(xiàn)解釋了突觸是如何在神經(jīng)元發(fā)揮可塑性上進行增減的。
論文概述
雖然這一發(fā)現(xiàn)的結(jié)論很簡單,但是實驗的過程卻很復(fù)雜。在一個關(guān)鍵實驗中,科學(xué)家們通過改變神經(jīng)元的“接受域”或它對應(yīng)的視覺域觸發(fā)了可塑性。神經(jīng)元通過突觸在末端的樹突上接收輸入,為了改變神經(jīng)元的感受域,科學(xué)家們確定了神經(jīng)元相關(guān)樹突上的中心位置,然后密切監(jiān)測突觸的變化,他們用小鼠作為實驗對象,在屏幕上的特定位置向小鼠展示目標(biāo),這個位置和神經(jīng)元原始的接受域不同。每當(dāng)目標(biāo)處于他們想要誘導(dǎo)的新的感受野位置時,他們會在小鼠的視覺皮層區(qū)閃爍藍光,加強神經(jīng)元的反應(yīng),激發(fā)其他活動。神經(jīng)元已經(jīng)被基因工程改造成可被閃光激活,這種技術(shù)被稱為“光遺傳學(xué)”。
作者El-Boustani說:“我們能重現(xiàn)大腦中單個神經(jīng)元,并在活體組織中見證分子機制的多樣性,他們讓這些細胞通過突觸可塑性整合成新功能,這項研究讓我們很激動。”
隨著新感受野突觸的增長,研究人員在雙光子顯微鏡下看到附近的突觸縮小了。而在沒有光遺傳刺激的對照組中,他們沒有看到這些變化。
當(dāng)然,用光照對小鼠的神經(jīng)元進行“改造”并非是自然操作,因此團隊進行了另一個更經(jīng)典的“單眼剝奪”實驗,其中他們暫時蒙蔽了老鼠的一只眼睛。這時候,與閉上的眼睛相關(guān)的神經(jīng)元中的突觸會減弱,而睜開眼睛的突觸會增強。之后當(dāng)把眼睛打開時,突觸會再次重新排列。研究人員監(jiān)測了這一活動,并發(fā)現(xiàn)隨著突觸的增強,周圍的突觸會削弱自身進行補償。
那么,這項神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的突破和機器學(xué)習(xí)有什么關(guān)系呢?
長久以來,深度學(xué)習(xí)界的研究者們認為,對人類大腦的模擬是推動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進步的重要手段。在機器學(xué)習(xí)和認知科學(xué)領(lǐng)域,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的數(shù)學(xué)模型或計算模型,用于對函數(shù)進行估計或近似。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在最初提出的時候,顯然是借鑒人腦的,權(quán)值更新規(guī)則是生物學(xué)中著名的Hebb’s rule,其表示經(jīng)常一起激活的神經(jīng)元連接會加強。另外,Yann LeCun在提出CNN的時候借鑒了人腦視覺處理分層的機制,并且CNN產(chǎn)生了和人腦非常一致的激活模式。
此外,論智君也曾報道過強化學(xué)習(xí)和人腦的多巴胺系統(tǒng)有著非常重要的聯(lián)系。DeepMind在上個月也發(fā)表論文,他們利用元學(xué)習(xí)框架,讓多巴胺系統(tǒng)訓(xùn)練大腦的前額葉皮質(zhì)層,使其學(xué)會獨立學(xué)習(xí),從而將這一機制應(yīng)用于AI上。
雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到已經(jīng)可以玩游戲、查找路線了,但是想要做更復(fù)雜的動作仍然非常困難,并且需要依賴數(shù)千小時的訓(xùn)練才能達到甚至超越人類水平。此前論智君曾報道過在NIPS 2017的神經(jīng)信息處理研討會上,有專家就探討過秀麗隱桿線蟲在促進機器學(xué)習(xí)發(fā)展上的作用。這種蠕蟲只有302個神經(jīng)元,但能做很多事情,例如導(dǎo)航、交配、尋找食物等。有人曾說,想讓人工智能完成人類做的事,就要先達到老鼠的水平。但是目前,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)想要達到秀麗隱桿線蟲的水平都還很困難,也就是說真實生物體的內(nèi)部還有許多等待我們發(fā)掘的奧秘。
再回到MIT的這項研究,這項研究揭示了一項非?;A(chǔ)的人腦活動規(guī)則,雖然不涉及具體的優(yōu)化機制或BP算法,但是它們對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和進一步發(fā)展具有重要意義。
-
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
+關(guān)注
關(guān)注
42文章
4820瀏覽量
106264 -
MIT
+關(guān)注
關(guān)注
3文章
254瀏覽量
24846 -
深度學(xué)習(xí)
+關(guān)注
關(guān)注
73文章
5587瀏覽量
123735
原文標(biāo)題:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)愛好者注意:MIT研究揭示大腦可塑性基本規(guī)則
文章出處:【微信號:jqr_AI,微信公眾號:論智】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
程序員的大腦有什么不同?
怎樣判斷PCB線路板油墨的好壞
MS1858,單芯片實現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)高清數(shù)字的多功能IC
神經(jīng)形態(tài)芯片越來越多地模擬大腦可塑性
下一個突破性創(chuàng)新數(shù)字業(yè)務(wù)模式:神經(jīng)可塑性和云計算
神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中長期細胞外基質(zhì)分子對于長期記憶是必不可少的

在腦機接口的幫助下,我們開始了解為什么學(xué)習(xí)是個很難的過程
用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制真實大腦,MIT的科學(xué)家做到了
Gartner2021年需要深挖的重要戰(zhàn)略科技趨勢
Gartner發(fā)布了企業(yè)機構(gòu)在2021年需要深挖的重要戰(zhàn)略科技趨勢
基于AI和機器人技術(shù)的InMotionTM技術(shù)
什么是脈沖時序依賴可塑性STDP呢
兩種用于汽車PCB組件的連接器端子組件的優(yōu)缺點

利用納米電化學(xué)傳感器,實現(xiàn)突觸可塑性的實時原位監(jiān)測

評論