大腦皮質如何預測未來？最新研究揭密

一項最新研究顯示，大腦皮質透過偵測新穎刺激並形成短期記憶痕跡（稱為「回聲」）來預測未來。這項機制已透過神經網路模型得到證實，並在感知與學習過程中扮演關鍵角色。

大腦皮質是哺乳動物腦部最大的部分，負責多種認知功能。在人類身上，它掌管感知、思考、記憶儲存與決策。有假說認為，皮質的主要功能是透過處理新的感官資訊並與先前的預期進行比較，來預測未來事件。

最近發表在《Neuron》期刊上的研究為這一假說提供了重要證據。這項由Yuriy Shymkiv博士主導的研究，標誌著我們對皮質預測功能的理解邁出了一大步。Shymkiv表示：「我們發現皮質就像一臺記憶機器，能夠編碼新的經驗並預測不久的未來。」

Rafael Yuste教授指出：「這項研究深入探討了大腦皮質的角色，並對如思覺失調症等皮質功能異常的疾病提供了新的見解。同時，它也幫助我們釐清了正常大腦中的重要過程。」

所謂「新穎性」，指的是預期與實際發生事件之間的差異。這項研究顯示，大腦皮質持續偵測新穎刺激，以改變並改進其對未來的預測。這種新穎性偵測對人類與其他動物來說至關重要。

研究團隊首先設計了一項實驗，觀察小鼠如何對熟悉與新穎的感官刺激做出反應。實驗中，他們播放不同音高的聲音，並對小鼠的聽覺皮質進行成像。結果發現，神經元群不僅對聲音本身有反應，還會根據其新穎程度做出不同回應。

有趣的是，每個聲音都會留下神經活動的痕跡，研究團隊稱之為「回聲」。這些回聲追蹤了感官輸入的變化，並形成對近期輸入的短期記憶。這些活動回聲不僅確保每個刺激都能引發獨特反應，還能篩選出新穎刺激，使反應更加強烈。

為了深入理解這些發現，團隊建立了一個聽覺皮質的神經網路模型，並訓練它偵測新穎刺激。模型重現了他們在小鼠身上觀察到的現象，顯示神經網路也利用活動回聲來儲存環境模型，並用它來偵測變化。他們得出結論：皮質的神經迴路結構使得新穎性偵測成為網路的自發特性。

Yuste表示：「這項研究讓我們對大腦如何有效偵測新穎性有了重大突破。」他提到，Shymkiv的模型建立在John Hopfield的理論基礎上，後者因建立神經網路模型並開創人工智慧領域而獲得諾貝爾獎。

這項研究也為大腦皮質在思覺失調症中的角色提供了新見解。臨床醫師早已發現，思覺失調症患者難以區分新舊資訊。過去科學家試圖透過解釋單一神經元的行為來解釋這些現象，但遇到了困難。這篇論文的重要發現是，新穎性偵測並非單一神經元的工作，而是神經網路的共同作用。

Yuste表示：「我們非常興奮，這些發現能加深我們對大腦這一關鍵部分的理解，並可能為功能異常的情況提供重要見解，甚至找到修復的方法。」

參考文獻：Yuriy Shymkiv等人，《Neuron》，2025年2月10日，DOI: 10.1016/j.neuron.2025.01.011

資金來源：美國國家神經疾病與中風研究所、美國國家眼科研究所、美國國家心理健康研究所