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腦神經(jīng)計算建模揭示前額葉皮層不同類型中間神經(jīng)元在信息維持中的作用

稿件來源：自動化研究所責任編輯：ICAC 發(fā)布時間：2020-03-24

　　盡管占比相對錐形神經(jīng)元數(shù)量少，但是中間神經(jīng)元在大腦皮層實現(xiàn)認知功能中的作用卻不容小覷。中間神經(jīng)元的顯著特點就是種類豐富，因此對不同類型中間神經(jīng)元在特定認知功能的分工作用的探索是揭示智能機制的關鍵之一。中國科學院自動化研究所類腦智能研究中心曾毅團隊將前額葉皮層（prefrontal cortex，PFC）中的中間神經(jīng)元依據(jù)形態(tài)學特征進行計算建模，發(fā)現(xiàn)負責局部抑制的短程連接中間神經(jīng)元在維持信息準確率上至關重要，而負責遠距離抑制的中間神經(jīng)元的缺失，則使輸出信息發(fā)生了扭曲與空間形變。與此同時還發(fā)現(xiàn)新皮層以結構相似的功能柱進行緊密排布這一特點看似冗余，但在關鍵中間神經(jīng)元缺失的情況下，卻能夠維持網(wǎng)絡穩(wěn)定性，極大提高了網(wǎng)絡在認知任務中的魯棒性。相關研究工作為研制新一代類腦神經(jīng)網(wǎng)絡提供了創(chuàng)新源泉。這項工作是課題組獨立完成的研究成果，相關工作3月13日發(fā)表在Nature旗下期刊Scientific Reports上。

　　文章第一作者、副研究員張倩介紹：目前對新皮層的中間神經(jīng)元在認知功能環(huán)路中的作用仍然知之甚少。研究人員優(yōu)化已有的功能柱模型，構建了從神經(jīng)元類型到網(wǎng)絡連接全部基于神經(jīng)生物學實驗數(shù)據(jù)的雙層精細PFC神經(jīng)網(wǎng)絡模型。依據(jù)軸突的幾何形態(tài)學對種類豐富的中間神經(jīng)元進行劃分，其中主要負責本地連接的中間神經(jīng)元(local-layer connection interneurons，LL-INs)由吊燈細胞（chandelier cells，ChCs）組成，跨層連接的中間神經(jīng)元（cross-layer connection interneurons，CL-INs）由雙極型細胞（bipolar cells，BPCs）和雙花型細胞組成（double banquet cells，DBCs），而負責跨層以及跨功能柱等長程連接的中間神經(jīng)元（long-range connection interneurons，LR-INs）則由大型籃狀細胞（large basket cells， LBCs）和馬提諾帝細胞（Martinotti cells，MCs）組成。

　　研究人員讓單個功能柱內(nèi)短程到長程連接的中間神經(jīng)元依次缺失，發(fā)現(xiàn)它們對信息維持準確性造成的影響是完全不同的。負責局部抑制的中間神經(jīng)元缺失，增加了圖像信息維持任務的噪點，降低圖像輸出的準確性。負責遠距離抑制的中間神經(jīng)元缺失，則使輸出圖像發(fā)生了扭曲，當跨層連接和遠距離連接的中間神經(jīng)元同時缺失，輸出圖像的扭曲程度也變得更加嚴重。這證明不同類型中間神經(jīng)元在信息傳遞過程中發(fā)揮的作用是完全不同的。

　　張倩介紹道：如果給這一功能柱多次輸入刺激，發(fā)現(xiàn)局部抑制中間神經(jīng)元在維持網(wǎng)絡穩(wěn)定性中發(fā)揮著重要作用，一旦缺失，網(wǎng)絡就陷入異常放電的癱瘓模式，類似于癲癇病人的腦網(wǎng)絡活動狀態(tài)，輸出信息的準確性最低僅有27.34±3.62 %。在此情況下，僅增加一個功能柱，就能恢復網(wǎng)絡的功能，輸出的準確率得到明顯改善，最高能達到89.56±0.61%。繼續(xù)增加功能柱的數(shù)量到4個，準確率仍有上升空間。顯然這是因為功能柱之前的長程抑制彌補了局部抑制缺失對網(wǎng)絡造成的影響。由此推斷新皮層功能柱結構相似、排布緊密這一特性，能夠在腦組織部分受損的情況下維持網(wǎng)絡的正常輸出功能，提高了整體的魯棒性。

　　研究員曾毅說：“可以看到，數(shù)億年的演化使得大腦皮層的組成部分在多尺度通過不同結構與機制的融合盡可能確保系統(tǒng)的魯棒性和自適應性，這是類腦人工智能模型非常值得借鑒的啟發(fā)。最開始出現(xiàn)的哺乳動物大腦皮層結構并沒有這么復雜，相對來說也沒有這么多的看似冗余的設計，但是可以看到，這種看似重復冗余的結構實質(zhì)上對提升智能與認知功能的穩(wěn)定性發(fā)揮了極大的作用。哪怕由于疾病等原因，致使特定類型的神經(jīng)元、局部神經(jīng)組織受損，還是可以依賴于這種看似冗余的設計較好地維持認知功能。魯棒性和自適應性是演化中的生命系統(tǒng)具有的最重要特征之一，‘適者生存’是達爾文進化論的核心，也是智能的根基。”

　　大腦的新皮層是模塊化的，雖然層次結構上具有高度相似性，但是種類豐富的中間神經(jīng)元讓連接的類型變得多樣化。有的中間神經(jīng)元平衡網(wǎng)絡的興奮性，有的則調(diào)節(jié)網(wǎng)絡增益，引發(fā)節(jié)律產(chǎn)生。該研究集中討論不同中間神經(jīng)元在與記憶有關的信息維持認知功能中發(fā)揮的不同作用。未來研究人員希望繼續(xù)探索中間神經(jīng)元在前額葉參與的更多高等認知功能中的分工，例如推理、決策等。這一工作是探索前額葉皮層參與高等認知知功能環(huán)路的重要組成部分之一，相關的工作更是構建類腦神經(jīng)網(wǎng)絡重要的啟發(fā)。腦神經(jīng)網(wǎng)絡模擬與計算建模為研究大規(guī)模生物神經(jīng)網(wǎng)絡的特性提供了計算驗證的平臺，這些特性往往在局部小規(guī)模網(wǎng)絡上是難以實現(xiàn)的，例如多模態(tài)信息整合、節(jié)律的層次化傳遞等。此外，計算模擬平臺為進行生物實驗難以驗證的科學假設提供了有力的支撐工具，并將為研制新一代類腦神經(jīng)網(wǎng)絡提供創(chuàng)新源泉。

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