【新智元导读】以往认为，人脑学习的能力是基于神经元之间连接的增强或减弱。日前，瑞典隆德大学研究人员发表在 PNAS 的一项研究发现，神经元本身也具有编程或者说学习的能力，单个神经元中存储信息的容量远超预期。论文作者在接受新智元采访时表示，这一发现或将为设计全新的人工神经网络带来启发。

当神经解剖学家 Santiago Ramóny Cajal 在 100 多年前首次描述神经元和突触时，他提出增加突触的数量或突触连接的强度，可能是学习的基础。这一假说随后由 Donald Hebb 等人更明确地制定，成为现在的主流观点——学习的基本机制是突触强度的变化。

这意味着学习的本质是神经元细胞对特定输入的去极化或超极化程度（脉冲概率）。换句话说，改变突触强度是形成记忆的主要机制。

延伸到如今人工智能的领域，就成了在人工神经网络中，神经元之间的“突触权重”的变化形成了学习的基础。

没有任何假说或理论提到了神经元本身在学习过程中所扮演的角色。

日前，瑞典隆德大学的一项研究发现，直播，单个神经元不仅能够学会对某个单一的信号产生响应，还能学会对在精确的时间间隔发出的一系列信号产生响应。

研究通讯作者、瑞典隆德大学神经生理学教授 Germund Hesslow 表示，单个神经元的反应就像是用手指弹一下，便奏响了一连串预先编辑好的调子，而不是仅仅只发出一个音阶。

在接受新智元采访时，Hesslow 表示，这项基础的研究工作对神经科学、人工智能，以及整个研究“如何学习”的研究都具有重要意义。

神经元本身也能“编程”，或带来下一代深度学习

长久以来，“学习”一直被视为基于人脑神经元之间连接增强或变弱的过程。儿童自闭症、ADHD 以及语言障碍都与这样或那样的基础学习机制紊乱有关。

瑞典隆德大学的研究人员此前就在实验中发现，神经元细胞能够学会时间上的关联，也就是根据接收到的刺激，发出在时间上有规律延后的信号。

在他们本月初发表于 PNAS 的一项最新研究中，研究人员进一步发现，人脑神经元细胞不止能学会针对单一的一种信号产生响应，还能够学会一系列复杂的响应。

研究人员在论文中写道，直播，实验中神经元细胞所展现出的学习序列的能力表明，小脑控制和协调运动的行为可能更多依赖于细胞内的机制，而不是先前以为的依赖于神经网络。

研究还表明，单个神经元中信息存储的能力大大超过预期，性质也与当前主流观点（dominant paradigm）所认为的十分不同。

瑞典隆德大学的神经生理学研究者、Germund Hesslow 教授的同事 Dan-Anders Jirenhed 则表示，这项工作意味着“大脑的学习能力（learning capacity）远远比以前认为的要大”。

Jirenhed 认为，未来拥有“经过训练的神经元”的人工神经网络，将能以更高效的方式处理更复杂的任务。

神经元也能存储信息，大脑学习能力远超预期

隆德大学研究人员关注神经元关联学习（associative learning）和时间学习（temporal learning）的能力。

在实验中，神经元细胞在几小时的训练时间内，学会了两种不同的信号（也即对这两种不同的信号产生响应）。第一种信号之间的延迟是 0.25 秒，第二种信号之间的延迟为 0.5 秒。

研究人员表明，神经元细胞不仅可以学会单个的信号，还能学会对一系列信号产生响应。当输入（刺激）为“信号 - 短暂暂停 - 信号 - 长暂停 - 信号”时，神经元细胞给出的响应也具有完全相同的时间间隔：“响应 - 短暂停止 - 响应 - 长暂停响应”。

如果神经元细胞可以存储时间间隔，那么原则上神经元细胞也可以存储其他信息，例如距离、方向等。当然，这将意味着需要一种方式让神经元“读出”这样的信息，目前还不知道是否可能。但是，这是一个令人兴奋的想法。

Hesslow 教授告诉新智元，罗格斯大学的神经科学家 Charles Gallistel 多年来一直认为，记忆不是以突触强度的形式存储，而是神经细胞中的某种定量表征（quantities are represented within nerve cells），尽管这一假说目前尚未得到足够多的证据支持。

不过，隆德大学的研究证明了至少神经元细胞是可以存储时间间隔的，也为将来进一步研究做了铺垫。

研究人员研究的细胞称为“Purkinje Cell/Neuron”，位于小脑。小脑是人脑中控制身体位置、平衡和运动的部分。

隆德大学研究人员研究的 Purkinje 细胞。Purkinje 细胞位于小脑，在学习一系列需要精确把握时间节奏的复杂运动中起着重要的作用，例如弹奏钢琴时手和手指的运动。来源：Germund Hesslow