Neuron：研究揭示大脑识别过程中的可塑性

不管看到什么新事物，我们的第一念头都是“这是什么呢？”，然而经过几次随意地接触后，我们的大脑就能毫不费力地让它变成，“噢，又是那个东西”。在一项探索这种认知过程的可塑性的研究中，布朗大学的神经科学家区别了两种不同类型的细胞可能起到的不同作用。

在一项发表在Neuron杂志上的研究中，研究者证明了这种学习过程是基于下颞叶皮层，一块埋在颅脑深处的脑区。科学家已经知道这一脑区在对于熟悉的事物的视觉辨认中起重要作用，但他们并不理解从新奇到熟悉的转换过程，他们将这一过程称为“可塑性”。

“我们对此一无所知是因为这种可塑性发生的水平（很微观）”布朗脑科学研究所的成员和神经科学教授David Sheinberg，同时也是本文的第一作者，他说，“（大脑）内部的工作机制是由单个神经元构成的，实际上非常难在那个水平上追踪究竟发生了什么。”

Sheinberg和研究生Luke Woloszyn让猴子看125个训练后认识的物体与另外125个从没见过的物体，同时用微电极在两个猴子身上检测下颞叶皮层内单个神经元的放电模式。

科学家发现，当猴子看到不同的东西时，大脑内两种主要的细胞——兴奋性神经元和抑制性神经元的反应是不同的。兴奋性神经元在猴子看到它们喜欢的熟悉物体时反应特别活跃——“喜欢的熟悉物体”指神经元在125个熟悉图像中最“喜欢”的那个。虽然不同的神经元特别喜欢的熟悉图像不一样，但几乎每一个兴奋性神经元都至少对一个熟悉的图像能产生比喜欢的新图像更强烈的反应，Sheiberg说。同时，抑制性神经元在猴子看到任何新图像的时候反应更活跃，且与图像实际特征无关（无论是否喜欢）。

Woloszyn和Sheinberg能够通过微电极记录的电压的波形变化区别不同类型的神经元。兴奋性神经元有典型的宽峰，而抑制性神经元的波峰相对窄一些。

科学家发现不仅引起神经元反应的物体不同，神经元发生反应的时间也不同。比如，兴奋性神经元在看见喜欢的熟悉物体后100毫秒内最活跃，而抑制性神经元能对更多新物体在更宽的时间窗内起反应，可达到325毫秒。

Sheiberg推测细胞的不同功能和它们起反应的特定时间也许可以通过以下的相互作用机制得到解释：当猴子看到熟悉的东西时（如香蕉！），兴奋性神经元放电产生识别信号，将信号传导到大脑其他部位来驱动合适的行为反应。但当猴子看到不熟悉的东西时（订书机？），兴奋性回应更加弥散，使得抑制性神经元维持升高的活性，接下来引起一个学习事件。

“识别一个熟悉的物体时，阳性信号产生，整个系统继续向前，”Sheinberg说，“这一信号不存在时，这意味着物体不是熟悉的。我们认为整个机制是持续的抑制性活动实际上触发了学习的过程。这是一个学习的信号。”

另一个发现可能是学习过程的展现形式。Sheinberg和Woloszyn观察到一个非常重要的现象：单个兴奋性神经元只有在猴子看到某一些图像时才会调整他们的放电节奏。这种放电的“稀少”可以用来测量神经元对某些图像的专注度。

“真正驱使我和Luke研究下去的是这样一个问题：通过反复暴露，神经元是否真的被显著地特化了”Sheinberg说，“学习产生的效果令人惊叹。”

他们进一步推测这种特化一开始是由抑制性神经元驱动的。

“于是我们设想，假定的抑制性神经元活跃的增加是兴奋性细胞群产生巨大的选择性变化的神经化学触发器。” Sheinberg和Woloszyn在杂志里写道。

这一项研究关系到布朗大学、斯坦福和其他机构的一项独立工作，一组科学家正在努力探索基本的科学基础，以最终治疗创伤性大脑损伤病人。

“（神经元）各式各样，这种多样性可能非常重要。如果说你需要修复环路——比如你脑卒中了，你想要重新训练那个脑区——也许需要特定类型的细胞发挥功能来保证这种可塑性，”他说，“我们最近才认识到这些不同类型细胞间的相互作用也许支持了学习和重建。”

这一研究得到了美国国立卫生研究院与国家科学基金会的支持。