论文ID
题目：Abstract representations emerge in human hippocampal neurons during inference
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2024年8月14日
通讯作者单位：加州理工学院
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07799-x
主要内容：
人脑中的神经活动会迅速重组，以反映适应不断变化的环境所需的隐藏关系。令人惊讶的是，试错学习和口头指导会引起类似的变化。
世界在不断变化。Courellis 等人以令人印象深刻的细节探索人脑如何进行概括，使其能够适应变化。
随着季节的来来去去，与夏季相关的项目将取代与冬季相关的项目。每个联想都可以独立学习：夏天穿轻便的衬衫;冬天穿夹克;夏天，带上防晒霜等。但每个季节（上下文）都充满了 “关系结构”，其中项目和活动集与一个季节一起出现。冬天去玩雪橇时，要穿上夹克，戴上围巾，把雪橇从储藏室里拿出来，而夏天去海滩要穿轻便的衣服，涂防晒霜，带上躺椅。将季节性相关物品放在一起并将物品分别分组为类别（要穿、带或出库的物品）是有效的：到了夏天，你可以一次性打开所有夏季物品的包装，把所有的冬天物品收起来（图 1）。
Courellis 等人研究了人脑如何表示以某种方式关联为“相同”的不同项目之间的关系。这种关联使大脑能够有效地适应环境的变化。作者表明，无论人类是通过反复试验缓慢地学习这些关联，还是通过口头指导快速学习这些关联，大脑中代表这些关系的神经活动模式都是相似的。
1900 年代初期出现的一种称为行为主义的心理学方法认为，学习主要是通过将行为与强化（奖励或惩罚）联系起来而发生的。这种动作-强化关联类似于彼此独立地学习每个项目-季节的关联。相比之下，一个名为认知心理学的思想流派（在 1950 年代开始流行）强调内部心理状态、记忆和关系学习（理解概念之间的关系）对智能行为的重要性。
经典的系列实验表明大鼠可以独立于任何奖励学习探索环境位置之间的空间关系。该研究的一个关键实验表明，至少在空间领域，如果可以通过动作强化关联或关系学习来解决任务，动物会倾向于关系学习策略。这些发现产生了“认知地图”的概念——一种由感官线索、它们的位置和它们之间的关系构建的探索空间的心理表示，使个人能够在该空间中导航。这种认知地图后来被定位到称为海马体的大脑区域中的神经元，从人类研究中已知，这对自传体记忆的形成至关重要。
卓越的工作已经确定动物很容易将海马活动模式和认知地图从空间环境转移到“非空间域”——这意味着参与映射物理空间的神经元也参与映射非空间认知空间。例如，当啮齿动物静坐并聆听音调平稳变化的音调时，海马体代表不同音调的“位置”以及它们在“音高空间”中的关系，其方式与啮齿动物在迷宫中物理导航时的方式相同（并使用相同的神经元）。同样，猴子简单地想象滚动浏览先前记住的图像序列，以类似的模式激活海马神经元，就像它们在空间中物理导航一样7.这些研究确定，海马体中的认知地图从物理空间推广到其他抽象领域。
仍然存在三个关键问题。首先，这种类型的抽象地图能否快速组装起来？由于动物经过长时间的训练来执行这些研究的任务，这个问题的答案尚不清楚，但它可能对学习产生重大影响。其次，认知图谱的发现（尤其是在单神经元水平上）是否推广到人类？第三，人类认知地图在多大程度上特别定位于海马体？
为了回答这些问题，Courellis 等人。与正在接受癫痫手术治疗的志愿者一起工作。当参与者执行一项简单的任务时，作者从多个大脑区域以高时间精度收集了大量有价值的单神经元记录数据集。他们必须学习四张图像（例如，人、猴子、水果和汽车）之间的指定配对以及每张图像的左或右动作（例如，人和猴子是左边，水果和汽车是右边）。在任务的不同时间点，在没有警告的情况下，将图像分配给操作会发生变化 — 也就是说，上下文发生了变化。但变化不是随机的：所有分配都只是简单地倒置，以便共享相同动作的图像仍然这样做（例如，人和猴子变成右边，水果和汽车变成左边）。一些参与者认识到，跨上下文的项目（即关系结构）之间存在一致的关系，并且他们只需要在单个图像上出现一个错误，就可以切换上下文并正确响应后续图像。
通过测量每张图像的海马神经元群的活动，作者可以研究该图像的海马体表示。这种表示可以形式化为高维空间中的一个点，其中每个轴对应于一个神经元的活动。在识别关系结构的参与者中，具有共同动作的不同图像（例如人类和猴子）的海马表征比分配给相反动作（人类和汽车）的同等不同图像的表征更相似，从而创建了一个简单的认知图谱，可以跨上下文进行泛化。显然没有认识到关系结构的参与者无法立即切换到上下文变化，他们的海马活动也没有反映这种认知图谱。
值得注意的是，海马体表示并未反映实际的图像-动作配对，这些配对会随着上下文而变化。这种转换必须发生在海马体下游，沿着运动神经通路的某个地方。相反，海马体反映了不同输入在不同环境中的相似性。这些关系结构及其与行为的联系局限于海马体，而不是其他高级认知大脑区域，例如前额叶皮层。这表明人类以与其他动物类似的方式编码认知图谱，并且关键关系表示优先定位于海马体。
Courellis 等人的研究还可以询问快速学习如何塑造认知地图，因为可以口头指导人类如何解决任务。起初没有认识到图像之间关系的参与者随后被告知它们。这些参与者中的大多数都能够在单个图像出错后立即切换动作配对。引人注目的是，在接受指令的几分钟内，他们的海马体表现也反映了图像之间的关系结构，类似于从经验中缓慢学习后看到的方式。据我们所知，这是第一项表明快速学习（由语言指导）可以产生与慢速学习类似的认知映射的研究。动物无疑也有“顿悟”的洞察力时刻，但与人类不同的是，当它们发生研究认知地图的快速重塑时，很难诱导这些洞察力或控制。
结果对机器学习具有有趣的意义。在与此处使用的类似任务上训练的猴子在学习缓慢时表现出相似的海马活动模式，并且这些结果可以通过训练递归神经网络（一种随着时间的推移学习整合信息的人工神经网络）来轻松重现。从指导中快速学习或突然的洞察力可能无法复制。那么，可以说，大脑最有趣的是目前标准人工神经网络训练无法复制的一切，它依赖于成百上千个例子。了解允许如此快速学习和重用关系见解的大脑机制仍然是一个开放的挑战，对于人工智能应用程序也可能很重要。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07799-x
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