大脑如何区分新刺激和旧刺激？

大脑皮层是哺乳动物大脑中最大的部分，从某些角度来看，也是最重要的。尤其在人类中，这里是大多数事情发生的地方——例如感知、思维、记忆存储和决策。当前的一种假设认为，皮层的主要作用是通过识别和编码从外部世界接收到的新信息并将其与预期发生的事件进行比较，从而预测未来将会发生的事情。

今天发表在期刊《神经元》上的一项新研究为证明这一假设迈出了重要一步。论文的第一作者是Yuriy Shymkiv，他是拉斐尔·尤斯特教授实验室的一名博士后研究员。

“我们发现皮层像一个记忆机器，编码新的经历，并预测非常接近的未来，”Shymkiv说。

“这项研究为大脑皮层的作用以及精神分裂症等疾病提供了大量见解，精神分裂症似乎是皮层功能失调，”尤斯特说，并指出这还有助于澄清正常大脑中的重要过程。“新颖性是你预测将会发生的事情与实际发生的事情之间的差异。这项研究表明，大脑皮层持续检测新刺激，以便改变和改善其对未来的预测。新颖性检测是对人类和其他动物至关重要的功能。”

研究团队开始他们的研究，设计了一项研究来识别小鼠如何对混合的熟悉和新的感觉刺激作出反应。实验中的刺激是不同音调播放的声音。在成像小鼠的听觉皮层后，听觉皮层是处理声音的大脑皮层的一部分，他们发现神经元群体不仅对播放的声音作出反应，还对其新颖性作出反应。有趣的是，他们发现每种声音都留下了神经活动的踪迹，他们称之为“回声”，这些回声随着时间的推移追踪感觉输入，形成近期输入的短期记忆。这些活动回声不仅确保每个进入的刺激产生独特的反应，还选择了新的刺激，从而使这些反应变得更强。

为了加深对这些发现的理解，团队构建了一个听觉皮层的神经网络模型，并训练其检测新的刺激。它复制了他们在小鼠中看到的情况，表明神经元网络也使用活动“回声”来存储环境模型，并用它来检测变化。他们得出结论，皮层的连接方式，具有连接神经元的循环，使得新颖性检测成为网络的一个自动涌现属性。

“这是理解大脑如何如此有效地检测新颖性的一大进步，”尤斯特说，并指出Shymkiv创建的模型建立在去年的诺贝尔奖获得者约翰·霍普菲尔德的思想基础上，他因构建神经网络模型和开创人工智能而获奖。

这项研究还为大脑皮层在精神分裂症中所扮演的主要角色提供了新的见解。临床医生多年来已知道精神分裂症患者在区分新信息与旧信息方面并不擅长。科学家们试图通过解释单个神经元的行为来解释这些发现，但最终遇到了困难。本文的主要见解之一是发现新颖性检测不是单个神经元的工作，而是神经网络的工作。

“我们非常兴奋，认为这些发现可以加深我们对大脑这一关键部分的理解，并可能为那些功能出现问题的案例提供重要见解——以及修复的方法，”尤斯特说。