盡管占比相對(duì)錐形神經(jīng)元數(shù)量少，但是中間神經(jīng)元在大腦皮層實(shí)現(xiàn)認(rèn)知功能中的作用卻不容小覷。中間神經(jīng)元的顯著特點(diǎn)就是種類豐富，因此對(duì)不同類型中間神經(jīng)元在特定認(rèn)知功能的分工作用的探索是揭示智能機(jī)制的關(guān)鍵之一。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所類腦智能研究中心曾毅團(tuán)隊(duì)將前額葉皮層（prefrontal cortex，PFC）中的中間神經(jīng)元依據(jù)形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行計(jì)算建模，發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)局部抑制的短程連接中間神經(jīng)元在維持信息準(zhǔn)確率上至關(guān)重要，而負(fù)責(zé)遠(yuǎn)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(shí)還發(fā)現(xiàn)新皮層以結(jié)構(gòu)相似的功能柱進(jìn)行緊密排布這一特點(diǎn)看似冗余，但在關(guān)鍵中間神經(jīng)元缺失的情況下，卻能夠維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，極大提高了網(wǎng)絡(luò)在認(rèn)知任務(wù)中的魯棒性。相關(guān)研究工作為研制新一代類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了創(chuàng)新源泉。這項(xiàng)工作是課題組獨(dú)立完成的研究成果，相關(guān)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(duì)新皮層的中間神經(jīng)元在認(rèn)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(gòu)建了從神經(jīng)元類型到網(wǎng)絡(luò)連接全部基于神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的雙層精細(xì)PFC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。依據(jù)軸突的幾何形態(tài)學(xué)對(duì)種類豐富的中間神經(jīng)元進(jìn)行劃分，其中主要負(fù)責(zé)本地連接的中間神經(jīng)元(local-layer connection interneurons，LL-INs)由吊燈細(xì)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(xì)胞（bipolar cells，BPCs）和雙花型細(xì)胞組成（double banquet cells，DBCs），而負(fù)責(zé)跨層以及跨功能柱等長(zhǎng)程連接的中間神經(jīng)元（long-range connection interneurons，LR-INs）則由大型籃狀細(xì)胞（large basket cells， LBCs）和馬提諾帝細(xì)胞（Martinotti cells，MCs）組成。 

　　研究人員讓單個(gè)功能柱內(nèi)短程到長(zhǎng)程連接的中間神經(jīng)元依次缺失，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)信息維持準(zhǔn)確性造成的影響是完全不同的。負(fù)責(zé)局部抑制的中間神經(jīng)元缺失，增加了圖像信息維持任務(wù)的噪點(diǎn)，降低圖像輸出的準(zhǔn)確性。負(fù)責(zé)遠(yuǎn)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(dāng)跨層連接和遠(yuǎn)距離連接的中間神經(jīng)元同時(shí)缺失，輸出圖像的扭曲程度也變得更加嚴(yán)重。這證明不同類型中間神經(jīng)元在信息傳遞過(guò)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(luò)穩(wěn)定性中發(fā)揮著重要作用，一旦缺失，網(wǎng)絡(luò)就陷入異常放電的癱瘓模式，類似于癲癇病人的腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)，輸出信息的準(zhǔn)確性最低僅有27.34±3.62 %。在此情況下，僅增加一個(gè)功能柱，就能恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的功能，輸出的準(zhǔn)確率得到明顯改善，最高能達(dá)到89.56±0.61%。繼續(xù)增加功能柱的數(shù)量到4個(gè)，準(zhǔn)確率仍有上升空間。顯然這是因?yàn)楣δ苤暗拈L(zhǎng)程抑制彌補(bǔ)了局部抑制缺失對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的影響。由此推斷新皮層功能柱結(jié)構(gòu)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(luò)的正常輸出功能，提高了整體的魯棒性。 

　　研究員曾毅說(shuō)：“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(guò)不同結(jié)構(gòu)與機(jī)制的融合盡可能確保系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性，這是類腦人工智能模型非常值得借鑒的啟發(fā)。最開(kāi)始出現(xiàn)的哺乳動(dòng)物大腦皮層結(jié)構(gòu)并沒(méi)有這么復(fù)雜，相對(duì)來(lái)說(shuō)也沒(méi)有這么多的看似冗余的設(shè)計(jì)，但是可以看到，這種看似重復(fù)冗余的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上對(duì)提升智能與認(rèn)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(shè)計(jì)較好地維持認(rèn)知功能。魯棒性和自適應(yīng)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(dá)爾文進(jìn)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(jié)構(gòu)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(luò)的興奮性，有的則調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)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(guān)的信息維持認(rèn)知功能中發(fā)揮的不同作用。未來(lái)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(rèn)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(rèn)知知功能環(huán)路的重要組成部分之一，相關(guān)的工作更是構(gòu)建類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重要的啟發(fā)。腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬與計(jì)算建模為研究大規(guī)模生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性提供了計(jì)算驗(yàn)證的平臺(tái)，這些特性往往在局部小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)上是難以實(shí)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(jì)算模擬平臺(tái)為進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)難以驗(yàn)證的科學(xué)假設(shè)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(luò)提供創(chuàng)新源泉。 

　　文章鏈接 

　　圖1 PFC網(wǎng)絡(luò)框架示意圖 

　　圖2 不同類型中間神經(jīng)元缺失的輸出結(jié)果（A-E）和準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)分析（F） 

　　圖3 多次刺激下不同類型中間神經(jīng)元缺失情況下網(wǎng)絡(luò)的輸出（A）與準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)分析（B） 

　　圖4 多功能柱網(wǎng)絡(luò)局部抑制神經(jīng)元缺失下網(wǎng)絡(luò)的輸出（A，C）與準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)分析（B）