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【科學講堂】神經網絡似社交平台「朋友名單」?

2019-09-04
社交平台各人的連接,也形成了一個複雜的網絡。圖為代表了互聯網上各人的連接圖。 網上圖片社交平台各人的連接,也形成了一個複雜的網絡。圖為代表了互聯網上各人的連接圖。 網上圖片

暑假之前,跟大家談過腦部神經細胞的網絡:腦中許許多多的神經元(neuron)就有如電子電路中的各條電線一樣,將腦部的訊息向四處傳遞;這些神經元又互相連接,組成複雜的網絡。不過,這些腦中的網絡如何控制我們的行為、讓我們產生各種各樣的想法,卻是科學家們還未能完全解答的問題,比如說我們能夠單憑察看一組神經元連接的方式,就可以推斷出它的功用嗎?幸好我們對神經網絡也不是一無所知;今天就和各位分享一個有趣的研究結果。

不同神經元負責不同訊號

要理解神經網絡,其中一個難處在於其龐大的數量:我們大腦皮層內的每一條神經元,都跟其他的神經元有茼角d上萬的連接。這情況就和我們的社交平台有點類似:在社交平台上,很多人都有數以百(或千)計的朋友,從這些朋友的特徵、他們所構成的網絡等等,是否就能把我們一一分類,了解我們是怎樣的人?光是這樣想,就覺得這是個高難度的任務。

對神經科學家來說,他們要面對的困難還不止於此。腦部負責不同的功能,因此不同的神經元也可能對不同的「訊號」有不同的反應:例如有些神經元是負責傳送視覺訊息的,有些則可能只對聽覺有反應。要分析神經網絡,神經科學家除了要記錄下神經元是如何連接起來之外,還需要知道網絡之中的哪些神經元是負責什洛能。

這是一件不容易的事:在實驗室中,科學家們可以深入研究神經細胞、組織,從而得知哪幾條神經元是連接起來的、它們之間的訊號是有關聯的;不過這個方法將神經細胞、組織獨立起來研究,不容易讓我們知道神經元的功用。另一種方法是從整體的角度出發,觀察神經元在身體內的反應:這個方法可以讓科學家們確定各個神經元的特別功能,但是要認清它們的連接細節,卻不方便。這真的是魚與熊掌,難以兼得。

連接大量神經元

為了腦袋可變通

倫敦大學學院的研究員Lee Cossell和他的研究夥伴突破了這個困難點,將「整體角度」和「細胞、組織角度」得到的結果融合起來,分析了老鼠大腦的視覺皮層。他們的發現,讓人覺得視覺皮層中的神經元網絡,可能真的跟社交平台的網絡很像:有些人在社交平台上有許多「朋友」,但不見得每一個都是同等重要的;可能是較親密的,和我們的想法、背景、生活方式較相似的,會對我們有更大的影響,更能代表我們的個性。視覺皮層中的神經元網絡,也是這樣:一條神經元是真的連上了很多其他的神經元,不過對相同「訊號」(如視覺、聽覺)有反應的神經元,相互之間的影響特別大;而其他眾多的神經元,相對來說影響就比較少。

如此說來,在每一個神經元系統中,只有少數的神經元是重要的;那麼我們的身體又為什麼會將大量的神經元連起來?科學家們推斷,這樣的設計可能是為了讓我們的腦袋「靈活變通」:我們的腦袋其實是有「彈性」的,比如在學習的時候、腦部受傷之後,腦袋可能需要改變一下神經的組合來適應新的狀況、接受新的想法和知識。一個預先就有大量神經元連起來的系統,可以藉由修改神經元之間的連接強弱來改變「設定」;假如神經元本身沒有連起來,要為了新的「設定」而長出新的神經元,那可得花不少的時間了。■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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