在日常生活中，我們的大腦需要應對各種各樣的認知任務。例如在購物時，我們既要回憶食譜所需的食材，記住店員告知的商品位置，還要計算付款金額。
科學家長期以來認為，大腦中存在由神經元組成的功能模組，這些模組能夠在不同類型的任務中執行相同的計算。這種模組化機制或許正是大腦能夠輕鬆應對眾多功能的原因。
在一項針對小鼠的最新研究中，麻省理工學院的神經科學家首次找到了這類靈活模組存在的實驗證據。他們在前額葉皮層中識別出一組神經元，這些神經元既能在工作記憶中儲存感覺輸入，也能儲存行動計劃。
"我們發現，大腦並不會為每類資訊專門分配一組神經元。相反，它使用同一批神經元對不同類型的資訊執行相同的計算，這意味著同一子集的神經元既能在工作記憶中保存行動資訊，也能保存感覺刺激資訊。"論文第一作者、麻省理工學院博士後研究員大坂雄真說道。
研究人員表示，這一發現支持了"可復用迴路
使大腦能夠靈活組合各組件、產生豐富多樣行為"的理論。
麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所牛頓神經科學教授Mriganka Sur，以及普林斯頓大學神經科學研究所教授Timothy Buschman（2008年博士畢業於麻省理工學院）是本文的共同通訊作者。該研究成果已發表於《自然·神經科學》期刊。麻省理工學院博士生Greggory Heller和博士後Sofie Ahrlund-Richter也參與了本項研究。
認知的基礎模組
早在攻讀麻省理工學院博士期間，Buschman就對大腦如何實現多樣化行為這一問題產生了濃厚興趣。
"其中一個長期被提出的解決方案是'組合性'概念——即可以將執行某一任務局部功能的認知單元提取出來，並在其他任務中加以復用。"他說道。
在去年發表的一項研究中，Buschman在普林斯頓的實驗室證明，當動物執行根據形狀或顏色對物體進行分類的任務時，會組建出負責執行不同任務片段的神經迴路。這些"認知樂高積木"式的基礎模組可以靈活組合，產生新的行為。
數年前加入Sur實驗室的大坂雄真同樣對認知靈活性研究抱有濃厚興趣。他與Sur合作，攜手Buschman共同探索一個相關問題：單一神經迴路是否能夠被重新調用，以執行不同的功能。
"日常生活要求我們臨時保存各種類型的資訊。一個核心問題是：大腦如何用有限數量的神經元表徵無限多樣的資訊？"大坂雄真說。
為探究這一問題，研究人員訓練小鼠執行一項任務：判斷兩個感覺刺激（高音或低音）是否相同，並作出相應反應。
研究人員在小鼠執行任務的過程中記錄其大腦的電信號，重點關注與計劃和決策等執行功能相關的前額葉皮層，以及負責處理感覺資訊和規劃運動的頂葉皮層。
在對數千個神經元的電活動進行測量後，研究人員通過計算分析識別出編碼特定資訊片段的神經元群組。
研究人員聚焦於兩個時間段：第一個音調與第二個音調之間（此時動物正在保存對第一個音調的記憶），以及第二個音調與決策動作之間（此時動物在工作記憶中保存決策與行動計劃）。
在頂葉皮層中，神經元表現出專一性，似乎僅負責儲存音調記憶。而在前額葉皮層，研究人員發現了一組能夠在兩類記憶之間切換的神經元簇：在第一階段，它們儲存第一個音調的記憶；在第二階段，則轉而負責記住行動計劃。
研究人員表示，將這些神經元簇復用於不同目的，使動物能夠靈活儲存不同類型的資訊。
"當小鼠執行測試記憶計算能否被復用的任務時，結果表明答案是肯定的。前額葉皮層中存在功能性活動的子空間，可以成為靈活認知中混合與匹配的底層基礎。"Sur說道。
計算的靈活性
Buschman表示，新發現為"同一計算迴路可服務於不同目的"這一觀點提供了有力支撐。
"這項研究的核心結論是：大腦中存在一種用於在工作記憶中保存資訊的迴路，無論是感覺資訊還是運動資訊都可以輸入其中，並根據當前任務需求靈活復用。這意味著每次學習新任務時，大腦無需重新構建一套全新的資訊保存迴路。"他說。
研究人員計劃進一步研究，在任務的不同階段抑制這些模組是否會影響動物的行為表現，以此為靈活模組參與多種功能提供更多佐證。
本研究由美國國立衛生研究院、MURI資助項目、皮考爾研究所創新基金、日本學術振興會海外研究學者獎學金及上原記念財團博士後獎學金資助。
Q&A
Q1：前額葉皮層中的靈活神經元模組是如何工作的？
A：研究發現，前額葉皮層中存在一組神經元，能夠根據任務階段切換所儲存的資訊類型。在聽到第一個音調後，這些神經元負責保存音調的感覺記憶；而在需要作出決策時，同一組神經元則轉而儲存行動計劃。這種"一組多用"的機制使大腦無需為每類資訊單獨分配神經元，從而實現對有限神經資源的高效利用。
Q2：大腦的模組化理論對人工智慧研究有什麼啟發？
A：大腦通過復用相同的神經迴路處理不同類型的資訊，這與人工智慧中"模組化設計"和"遷移學習"的思路高度契合。該研究揭示了生物神經網路通過組合有限模組實現複雜認知的機制，為構建更高效、更靈活的AI系統提供了生物學依據，有助於研究者設計出無需針對每項新任務重新訓練的智能模型架構。
Q3：這項小鼠實驗的研究結論能否適用於人類大腦？
A：目前該研究是在小鼠前額葉皮層中開展的，尚未直接在人類大腦中得到驗證。但由於小鼠與人類在前額葉皮層的基本功能上存在相似性，研究人員認為這一靈活模組機制在人類大腦中很可能同樣存在。後續研究計劃通過干預實驗進一步驗證這些模組的功能作用。
