大脑如何实现灵活应对复杂的世界 整合所有相关信息而不会被无关信息淹没？

神经元的“混合选择性”意味着它们可以参与多个计算而不局限于单一特定功能。这篇论文用混合选择性概念解释了大脑如何选择将相关信息整合在一起而放弃无关信息干扰。

　　

每天，我们周围发生很多事情，我们也有很多内在的动力和记忆，我们的思想必须以某种方式保持既灵活而集中，以指导我们必须做的每件事，我们的大脑都在为此努力优化做出权衡。包括麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的教授、“混合选择性”（the mixed selectivity ）概念的先驱Earl K. Miller等在内的一组神经科学家在《神经元》期刊上发表一篇新论文，描述了大脑如何获得认知能力，将所有相关信息整合在一起，而过滤掉无关信息。

作者认为，这种灵活性源于在许多神经元中观察到的一个关键特性:“混合选择性”。虽然许多神经科学家过去认为每个细胞只有一个专用功能，但最近的证据表明，许多神经元可以参与各种计算组合，每个计算组合并行工作。换句话说，当一只兔子考虑在花园里啃一些生菜时，一个神经元可能不仅会评估它有多饿，还会评估它是否能听到头顶上的鹰叫声或闻到树上的土狼的气味，以及生菜有多远。

Earl K. Miller表示，大脑不能同时处理多项任务，但许多细胞确实有能力被连接到多个计算工作中(本质上是“思想”)。在这篇新论文中，作者描述了大脑用来招募神经元进行不同计算的特定机制，并确保这些神经元代表复杂任务的正确维度数量。“这些神经元身兼数职，”“通过混合选择性，你可以得到按实际需求匹配的复杂的代表性空间，而不是更复杂。这就是灵活认知的意义所在。”研究报告的合著者、索尔克研究所和加州大学圣地亚哥分校的Kay Tye教授说，神经元之间的混合选择性，是实现许多心理能力的关键。“混合选择性是赋予我们灵活性、认知能力和创造力的属性。这是最大化计算能力的秘密，而计算能力本质上是智能的基础。”

概念起源

2000年，Miller实验室的一项认知研究得出的一个令人惊讶的结果——当动物将图像分类时，大脑前额叶皮层中大约30%的神经元似乎参与其中。那些相信每个神经元都有特定功能的怀疑论者嘲笑说，大脑会让这么多细胞只完成一项任务？！Miller和他的同事John Duncan争辩说，也许细胞具有参与许多计算的灵活性，在一个脑力工作小组服务并不妨碍它们为其他许多小组服务。混合选择性的想法由此萌发。

但是混合选择性有什么好处呢?2013年，Miller与IBM研究院的Mattia Rigotti和哥伦比亚大学的Stefano Fusi（这两位也是新论文的共同作者）合作，展示了混合选择性如何赋予大脑强大的计算灵活性。从本质上讲，具有混合选择性的神经元集合相比具有特定功能的神经元群体，能够容纳更多关于任务的信息维度。Mattia Rigotti说：“自从我们的原创工作以来，我们通过经典机器学习思想的视角，在理解混合选择性理论方面取得了进展。”“另一方面，实验学家所关心的有关在细胞水平上实现它的机制的问题相比之下还没有得到充分的探索。这次合作和这篇新论文填补了这一空白。

概念具像

并非所有的大脑功能都是复杂的。简单的功能可以通过简单的架构，单层执行。支撑简单功能的架构可具有直接属性、服务于该功能的简单组合，缺乏灵活性能够使得这些功能更快速、高效且模式化。

相比之下，负责复杂思维和行为的神经系统要求灵活性。聪明的思想是灵活的思想。拥有更复杂神经系统的动物可以通过将更多参数整合到决策过程中来改变它们的行为方式。它们会根据当前情况和不断变化的子目标来调整正在进行的行为。它们还会考虑到累积的事件历史，会影响决策阈值。这种概括情境依赖行为的能力，对于预期自己未来的行为、对于制定和执行计划都至关重要。

可以肯定的是，有些神经元专门用于特定的输入——这些细胞具有“纯选择性”，例如只关注兔子是否看到生菜。一些神经元表现出“线性混合选择性”，这意味着它们的反应可预测地依赖于多个输入的叠加(兔子看到生菜就觉得饿了)。增加了最高维度灵活性的神经元是“非线性混合选择性”神经元，它们可以解释多个独立变量，可能会权衡一整套独立的条件(例如，有生菜，我饿了，我没有听到鹰的声音，我没有闻到土狼的气味，但是生菜很远，我看到一个相当坚固的栅栏)。

再例如，想象一只小鼠在其环境中遇到一种没见过的浆果——浆果可能好吃(这是一个维度)，也可能有毒(那是另一回事)，小鼠因而犹豫是否要吃它。然而，如果小鼠随后遇到一个同类，其呼吸带有相同浆果的气味，它可能会将其解释为该浆果可以安全食用的标志(取决于同伴的表面健康状况)。在这种情况下，小鼠同伴呼吸中的浆果气味可以作为一种社会验证，表明这种食物可能是安全的，值得花功夫去吃。这种社交线索有效地将小鼠对不熟悉浆果的评估从潜在风险转变为可能安全，所有这些都基于食物偏好的社会传播。具有混合选择性的神经系统将能够整合所有这些相关信息。

这种灵活性的神经基质在已知对灵活行为至关重要的皮质区域——如前额皮质(PFC)中尤为普遍。前额皮质神经元具有适应性和多元响应特性，即“混合选择性”。它们身兼数职，在不同的行为背景下表现出不同的选择性模式。信息通常在它们之间广泛传播。前额皮质神经元有中等高的基础放电率，高比例的神经元会对多种刺激做出反应。。。神经元和它们的轴突提供了各种思想、感觉、感觉和运动指令通行的高速公路。。信息载体可以采取不同的路径和不同的目的地。它们可能有时选择这条路径，有时又选择另一条路径。这种自主性提供了最大的自由度和维度。

随之而来的是思想的深度。多元神经元特性可以增加群体的表征维度，允许更复杂的计算。此外，大脑根据手头的任务来调整维度。维度扩展和收缩聚焦处理沿着相关的维度这使处理过程在任务和目标的指导下进行。

简而言之，混合选择性赋予大脑复杂性和灵活性所需的处理能力。这种灵活性的代价是无法利用世界的规律来推广到新的情况。混合选择允许在每个细节中表示大量不同的情况，但有时我们需要丢弃或忽略一些信息以做出正确的决定。

招募神经元

虽然混合选择性有大量的证据支持——在大脑皮层和其他大脑区域，如海马体和杏仁核中都观察到了混合选择性——但仍有悬而未决的问题。例如，神经元是如何被招募到任务中的?如此“开放”的神经元是如何只关注对任务真正重要的东西的? 在这项新研究中，研究人员定义了观察到的混合选择性的形式，并认为当“脑电波”和神经调节剂(影响神经功能的血清素或多巴胺等化学物质)将神经元招募到计算集合中时，它们也帮助神经元“控制”了什么是重要的。

那么，是什么让神经元集中注意力在显著因素上，不管有多少其他因素? 其中一种机制是振荡（ oscillations），当许多神经元都以相同的节奏保持它们的电活动时，就会在大脑中产生振荡。这种协调的活动使信息共享成为可能。作者强调的另一种机制是神经调节剂。这些化学物质一旦到达细胞内的受体，也会影响它们的活性。例如，乙酰胆碱的爆发可能同样会使具有正确受体的神经元对某些活动或信息(比如饥饿感)进行调谐。

“这两种机制可能一起工作，形成动态的功能网络，”理解混合选择性对理解认知至关重要。“混合选择性无处不在，从高级认知到物体识别等‘自动’感觉运动过程，它存在于各个物种和各个功能中。混合选择性的广泛存在强调了它在为大脑提供复杂思考和行动所需的可扩展处理能力方面的基本作用。”

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