根据一项最新研究，脑细胞的同步活动，类似于鸟群一起飞行，使我们能够在不熟悉的情况下进行智能行为。这项研究在揭示人类大脑中与抽象和推理相关的神经过程方面具有开创性。
由西达斯-西奈研究人员进行的一项突破性研究表明，脑细胞的同步活动—如同鸟类编队飞行—使我们在新环境中能够展现智能行为。这项发表在同行评审期刊《自然》上的研究是首个探索人类认知中抽象和推理神经机制的研究。
“抽象帮助我们忽略不必要的细节，专注于行动所需的重要信息，而推理则涉及使用我们的知识对周围环境做出有根据的猜测，”西达斯-西奈的神经科学教授和理事会主席Ueli Rutishauser博士解释道，他也是该研究的共同作者。“这两个过程对学习和推理至关重要。”
人类经常将这些认知技能结合使用，以迅速理解并在新环境中做出适当回应，比如美国司机首次在伦敦租车。
“在英国，驾驶涉及在车的右侧驾驶，同时在左侧的路上行驶，这与美国人习惯的正好相反，”Rutishauser指出。“美国司机需要颠覆许多学到的驾驶规则，这需要抽象来专注于在车的哪一侧驾驶，并进行推理以避免驶入迎面而来的车流。”
在这项研究中，研究人员与17名住院患者合作，这些患者的脑中植入了电极用于癫痫诊断。他们记录了参与者在计算机上完成推理任务时数千个脑细胞的活动。
分析数千个脑细胞需要人工智能识别相关模式，使研究人员能够观察神经元在成功推理任务中的协调情况。
“这些形成了复杂的高维几何形状，我们无法轻易在计算机上可视化，”哥伦比亚大学扎克曼脑心行为研究所的首席研究员、该研究的共同作者Stefano Fusi博士表示。“然而，数学方法使我们能够表示简化的三维版本。”
在实验中，参与者见到了四个图像—一个人、一只猴子、一辆车和一个西瓜—并被指示用左手或右手按下按钮作为回应。随后，他们收到了反馈，表明他们是“正确”还是“错误”。
随着参与者重复任务，他们学习了每个图像的正确响应。最终，这些规则在他们不知情的情况下被颠覆，要求他们给出相反的回应才能正确。
在这一变化后，一些参与者迅速适应了新规则，并在无需重新学习的情况下推断出正确回应，展示了他们的推理能力。
研究人员观察到这些成功参与者脑活动中显著的几何模式。神经元群体同步激发，类似于鸟类编队或在活动中呐喊的粉丝群体。这种协调的神经元活动表明，这些参与者已经获得了完成任务所需的概念理解；在那些推理困难的人中没有明显的此类模式。
“发展概念理解对有效学习至关重要，”西达斯-西奈的研究人员、该研究的第一作者Hristos Courellis博士表示。“我们的研究强调了这一过程在认知心理学中被称为抽象的神经基础。”
一些参与者最初无法仅通过经验学习得出正确回应。为了帮助这些个体，研究人员提供了口头指示，使他们能够推断正确答案。
“一项重要发现是，在受到口头指导的参与者中，也出现了与通过经验学习的参与者相似的神经模式，”西达斯-西奈功能神经外科项目主任、该研究的共同作者Adam Mamelak博士评论道。“这一发现表明，语言提示可以建立神经表征，而这一过程通常仅通过经验学习所需的时间较长。”
这项研究由西达斯-西奈进行，并涉及来自多伦多大学的数据，是由美国国立卫生研究院的《通过先进创新神经技术进行大脑研究》计划（通常称为大脑计划）资助的多个机构合作的一部分。
“这项研究为我们的脑如何在多变条件下实现适应性学习和任务执行提供了新的见解，”大脑计划的项目主任Merav Sabri博士表示。“这些发现为日后可能改善记忆和决策缺陷的神经和精神疾病干预措施提供了一个不断丰富的知识基础。”
有趣的是，研究人员发现这些独特的脑活动模式仅出现在海马体，这是一个在形成新长期记忆中至关重要的脑区域。
“我们的发现增加了我们对海马体在学习中作用的理解，”Rutishauser补充道。“这标志着人类海马体参与获得抽象知识和推理技能的直接证据。许多神经疾病，包括阿尔茨海默症、强迫症和精神分裂症，会影响这一区域，可能揭示这些患者所观察到的决策能力减退的原因。”
