大腦中的“樹突計算機”：《Science》發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元分支擁有獨立“算力”，是實現(xiàn)快速學習與靈活決策的關(guān)鍵

來源：iNature

你是否思考過，大腦是如何做到“活到老，學到老”，并且能在不同場景下靈活切換行為規(guī)則的？傳統(tǒng)觀點認為，神經(jīng)元像個簡單的加法器，將接收到的信號匯總后決定是否“點火”。2026年5月7日，洪堡大學Matthew E. Larkum團隊在Science在線發(fā)表題為“Tuft dendrites in frontal motor cortex enable flexible learning”的研究論文，該研究揭示了我們大腦中實現(xiàn)靈活學習的深層秘密：神經(jīng)元那些如樹枝般分叉的樹突，并非被動的電線，而是一臺臺擁有獨立“算力”的微型計算機，其計算能力是智力的關(guān)鍵。

精巧實驗：區(qū)分“執(zhí)行”與“學習”

為了探明樹突在復雜學習中的作用，研究團隊設(shè)計了一個精巧的行為實驗。他們訓練小鼠完成一項需要靈活切換規(guī)則的“心智游戲”：小鼠需要根據(jù)不同的提示信號，學會在不同的規(guī)則（例如“聽到聲音A就向左舔，聲音B就向右舔”）之間切換。這迫使小鼠的大腦必須重新學習而非簡單地執(zhí)行已掌握的技能。通過這種方式，科學家能清晰地將“靈活學習新規(guī)則”的神經(jīng)過程，與“熟練執(zhí)行舊規(guī)則”區(qū)分開來。

鎖定“調(diào)控開關(guān)”：神秘的NDNF中間神經(jīng)元

研究聚焦于大腦前外側(cè)運動皮層中一類特殊的抑制性神經(jīng)元——NDNF中間神經(jīng)元。這些神經(jīng)元如同精確的“樹突調(diào)控器”，其觸手專門伸向錐體神經(jīng)元的頂端樹突。科學家利用光遺傳學技術(shù)，在小鼠需要學習新規(guī)則時，特異性地激活這些NDNF神經(jīng)元，從而暫時抑制樹突的活動。

結(jié)果令人驚訝：這種抑制嚴重損害了小鼠學習新、復雜規(guī)則的能力，但卻絲毫不影響它執(zhí)行已經(jīng)學會的簡單任務。這表明，樹突的活躍計算是靈活學習所特有的需求，而非所有行為的基礎(chǔ)。

靈活學習取決于樹突頂端的鈣離子活動（圖源自Science ）

揭秘“計算核心”：樹突鈣信號與功能集群

那么，被抑制的樹突究竟在進行何種關(guān)鍵計算呢？通過高分辨率成像，科學家發(fā)現(xiàn)，當小鼠學習復雜規(guī)則時，樹突上會涌現(xiàn)出全局性的鈣離子信號波。更重要的是，來自不同腦區(qū)的輸入信號會在樹突上自發(fā)組織成空間上集中的“功能集群”。這種集群化可能是樹突進行復雜信息整合與計算的物理基礎(chǔ)。

而NDNF神經(jīng)元的作用，就像一個動態(tài)的“算力調(diào)度員”。當小鼠犯錯時，這些神經(jīng)元活動降低，相當于“解除抑制”，釋放樹突的“算力”以進行修正和重塑連接（即可塑性）。當需要穩(wěn)定執(zhí)行已學會的行為時，它們則適度抑制樹突，防止無關(guān)干擾。研究團隊抑制NDNF神經(jīng)元后，樹突的全局鈣信號和功能集群消失，但神經(jīng)元的整體放電僅輕微改變，這直接證明樹突擁有獨立于胞體的、主動的信息處理能力。

總結(jié)與展望

這項研究具有重要的意義：

1. 顛覆經(jīng)典模型：它將神經(jīng)元從“簡單積分器”提升為擁有分布式、主動計算單元的復雜處理器，樹突本身就是重要的計算部件。

2. 闡明靈活學習機制：揭示了大腦實現(xiàn)認知靈活性的核心在于樹突鈣信號這一動態(tài)計算資源，及其受到特定抑制性神經(jīng)元的精細調(diào)控。

3. 提供疾病新見解：許多精神疾?。ㄈ鐝娖劝Y、自閉癥）的核心癥狀正是認知靈活性受損。該研究指出的“樹突計算障礙”可能為此類疾病的機制研究與治療策略（如靶向特定神經(jīng)回路或樹突電活動）開辟了全新的方向。

總之，這項發(fā)現(xiàn)讓我們對智力的物質(zhì)基礎(chǔ)——大腦的計算架構(gòu)，有了更深刻的認識。我們無與倫比的學習與適應能力，或許正源于百億神經(jīng)元中，每一根微小樹突上所運行的、精妙而強大的分布式計算。

參考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4358

閱讀最新前沿科技趨勢報告，請訪問21世紀關(guān)鍵技術(shù)研究院的“未來知識庫”

未來知識庫是 “21世紀關(guān)鍵技術(shù)研究院”建 立的在線知識庫平臺，收藏的資料范圍包括人工智能、腦科學、互聯(lián)網(wǎng)、超級智能，數(shù)智大腦、能源、軍事、經(jīng)濟、人類風險等等領(lǐng)域的前沿進展與未來趨勢。目前擁有超過8000篇重要資料。每周更新不少于100篇世界范圍最新研究資料。 歡迎掃描二維碼或訪問https://wx.zsxq.com/group/454854145828進入。

截止到2月28日 ”未來知識庫”精選的百部前沿科技趨勢報告

（加入未來知識庫，全部資料免費閱讀和下載）