新研究解碼了人類新皮質的佈線。由柏林夏里特大學領導並發表在《科學》雜誌上的最新研究發現，人類新皮質神經細胞的佈線與小鼠大不相同。研究發現，人類神經元主要以單向方式傳遞訊號，而小鼠神經元通常以循環模式發送訊號。這種結構上的差異可能會提高人腦處理資訊的效率和效果。這些發現對推動人工神經網路技術的發展具有潛在的意義。

新研究發現，與小鼠的循環互動不同，人類新皮質神經元單向溝通效率更高。這項發現可能會透過模仿人類大腦的連結性來促進人工神經網路的發展。記錄多達十個神經元活動的多補丁實驗裝置。圖片來源：Charité | 彭揚帆

新皮質是人類智力的關鍵結構，厚度少於五毫米。在大腦的最外層，200 億個神經元處理無數的感官知覺，規劃行動，並構成了我們意識的基礎。這些神經元是如何處理所有這些複雜訊息的呢？這在很大程度上取決於它們之間的”連接”方式。

夏里特神經生理學研究所所長約爾格-蓋格（Jörg Geiger）教授解釋說：”我們先前對新皮質神經結構的理解主要基於小鼠等動物模型的研究結果。在這些模型中，相鄰的神經元經常像對話一樣相互交流。

具有機器人機械手的多通道裝置，可在兩輪實驗之間自動沖洗玻璃移液管。圖片來源：Charité | 彭揚帆

人類的新皮質比小鼠的新皮質更厚、更複雜。儘管如此，研究人員之前一直假設–部分原因是缺乏數據–它遵循相同的基本連結原則。蓋革領導的夏里特研究小組現在利用極為罕見的組織樣本和最先進的技術證明了事實並非如此。

在這項研究中，研究人員檢查了23名在夏里特接受神經外科手術治療抗藥性癲癇患者的腦組織。在手術過程中，醫學上有必要切除腦組織，以便觀察其下的病變結構。患者同意將這些組織用於研究目的。

神經元的旋轉重建。圖片來源：Charité | Sabine Grosser

為了能夠觀察人類新皮質最外層相鄰神經元之間的訊號流，研究團隊發展了一種改良版的”multipatch”技術。這樣，研究人員就能同時監聽多達十個神經元之間的通訊。因此，他們能夠在細胞停止體外活動前的短時間內進行必要數量的測量，以繪製網絡圖。他們分析了近1170 個神經元之間的溝通管道，以及約7200 個可能的連接。

他們發現，只有一小部分神經元之間進行了相互對話。 “人類的信息往往是單向流動的。它很少直接或通過循環返回起點，”該論文的第一作者彭揚帆博士解釋說。他曾在神經生理學研究所從事這項研究，目前在夏里特神經學系和神經科學研究中心工作。研究小組根據人類網路結構的基本原理設計了一種電腦模擬，以證明這種前向訊號流在處理資料方面的優勢。

來自多配接裝置的微量移液管接近單一神經元。圖片來源：Charité | Franz Mittermaier

研究人員為人工神經網路佈置了一項典型的機器學習任務：從口語數位錄音中辨識出正確的數字。在這項語音辨識任務中，模仿人類結構的網路模型比以小鼠為模型的網路模型獲得了更多的正確反應。它的效率也更高，同樣的成績在小鼠模型中需要相當於380 個神經元，而在人類模型中只需要150 個神經元。

“我們在人類身上看到的定向網絡結構更強大，也更節省資源，因為更多獨立的神經元可以同時處理不同的任務，”彭解釋道。 “這意味著局部網路可以儲存更多資訊。目前還不清楚我們在顳葉皮質最外層的發現是否會擴展到其他皮質區域，也不清楚這些發現能在多大程度上解釋人類獨特的認知能力。

過去，人工智慧開發人員在設計人工神經網路時會從生物模型中尋找靈感，但也會獨立於生物模型來優化演算法。蓋格說：「許多人工神經網路已經使用了某種形式的前向連接，因為它能為某些任務帶來更好的結果。人腦也顯示出類似的網路原理，這令人著迷。這些對人類新皮質中具有成本效益的資訊處理的洞察，可以為完善人工智慧網路提供更多靈感”。

編譯來源：ScitechDaily