人类智力超群的重要原因找到了！《科学》研究颠覆对大脑认知

来源：学术经纬

编辑 ：药明康德内容团队

大脑是处理感官信息、计划行动以及构建意识的基础，无论是简单地动手指、眨眼睛，还是进行复杂的数学计算、逻辑推理，都离不开大脑中不同区域活跃的神经活动和信息交流。在大脑最外侧，有一个名为新皮质（neocortex）的结构，尽管它只有不到5毫米厚，但其中却存在约20亿个神经元处理各种复杂信息，并帮助意识形成，同时新皮质也是与智力相关的关键结构。

为了深入了解大脑是如何支持各类复杂信息处理和认知功能的，我们首先需要充分探索神经元的特性，以及神经元之间的活动和连接。就已有的研究来说，通常都是借助小鼠模型来窥探其中的奥秘，然而小鼠的大脑并非与人类完全一样，而且物种间的智力、行为都有着明显差异。

科学家此前发现，小鼠新皮质的神经元会以一种“对话”的形式来交流信息，当神经元A传递给神经元B之后，神经元B会回输信息给神经元A，这样形成了一个信息交流环。就在《科学》杂志的最新研究中，来自柏林夏里特医学院的研究团队发现人类与小鼠有着根本的不同：人类新皮质神经元基本只会朝着一个方向传递信息，而不是形成一个环。

当下，研究人类大脑的一大难点是活体组织样本稀缺。为此，作者找到了部分需要接受手术的癫痫患者，医生在给他们进行手术处理患病结构时需要切除部分大脑组织。研究者在征得患者同意后，将颞叶皮质（包括新皮质）样本保存在了特殊的营养液中，样本中的神经元活动可以保持2天左右。

随后，研究使用了被称作膜片钳（patch clamp）的技术来分析神经元之间的突触交流，他们在改进技术后可以同时记录最多10个不同神经元的活动以及连接。基于此，作者总共分析了约1170个神经元之间7200个左右的连接，这些能够清晰地展示信息是如何在人类脑组织中传递的。

▲研究发现的人类颞叶皮质的神经元信息交流模式与小鼠有很大不同（图片来源：参考资料[1]）

结果显示，与小鼠不同，人类脑组织样本中只有非常少的一部分神经元会以“对话”的形式形成环路交流。绝大多数神经元之间的信息流是单向的，信息基本不会通过循环、返回等途径回到信息出发点。

作者还尝试借助计算机模拟了人类神经元网络的交流方式，他们发现这种单向的信息传递会使得信息处理更加高效。在测试任务中，作者分别让模拟小鼠和人类的神经网络参与了机器学习任务，对于同样的语音识别数字任务，人类神经网络会产生更多的正确反应。相对应的，在实现同样的表现情况下，小鼠神经网络需要380个神经元，而人类神经网络只需150个神经元。这也表明，人类的这种神经元交流方式以及连接有助于实现更高阶的计算和信息处理过程，因为更多独立的神经元可以同时处理不同的任务。

当然，这项研究的意义不仅仅只是解释了为何人类要比小鼠智力更高，它对于人工智能网络的研发有很大的参考价值，通过模拟人类这种单向信息传递过程，或许能进一步提升人工智能网络的效率。“许多人工神经网络已经使用了某种形式的单向连接，但人类新皮质的这些发现或能为未来的研发提供更多灵感。”研究通讯作者Jörg Geige教授表示。

参考资料：

[1] Directed and acyclic synaptic connectivity in the human layer 2-3 cortical microcircuit. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adg8828