作者：Stefanie Seltmann，柏林夏里特健康研究所（BIH）

 

图片来源：BIH/Petra Ritter

聪明人的思维速度更快？柏林夏里特医学中心和柏林夏里特大学的研究人员与来自巴塞罗那的一位同事共同发现了一个惊人的现象：智商分数较高的受试者只有在处理简单任务时才会更快，而与智商分数较低的受试者相比，他们解决困难问题所需的时间更长。

 

在对650名参与者进行的个性化大脑模拟中，研究人员可以确定，脑区之间同步性降低的大脑在做出决定时，实际上是 "直接下结论"，而不是等到上游脑区完成解决问题所需的处理步骤。

 

事实上，得分较高的参与者的大脑模型也需要更多时间来解决具有挑战性的任务，但犯错较少。科学家们现已将他们的研究结果发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

 

人脑中有大约1000亿个神经元。每一个神经元都与大约1000个相邻或相距较远的神经元相连。这个深不可测的网络是大脑拥有惊人能力的关键所在，但同时也是让人难以理解大脑如何工作的原因。

 

柏林夏里特大学柏林健康研究所（BIH）和柏林夏里特大学神经病学与实验神经病学系大脑模拟组组长 Petra Ritter 教授利用计算机模拟人脑。"我们希望了解大脑的决策过程是如何运作的，以及为什么不同的人会做出不同的决定。

 

个性化大脑模型

为了模拟人脑机制，里特尔和她的团队使用了磁共振成像（MRI）等脑部扫描的数字数据，以及基于生物过程理论知识的数学模型。这最初会产生一个 "通用 "人脑模型。然后，科学家们利用来自个体的数据完善这一模型，从而创建出 "个性化大脑模型"。

 

在本次研究中，科学家们使用了来自650名 "人类连接组计划 "参与者的数据。"人类连接组计划 "是美国的一项计划，自2010年9月以来一直在研究人类大脑的神经连接。"里特尔解释说："神经元正确的兴奋-抑制平衡会影响决策，或多或少会使人解决问题。她的团队了解参与者在大量认知测试中的表现以及他们的智商分数。

 

 

a, b 组平均 g 因子（30 组，基于 g 因子，N = 650 名受试者）与 PMAT #1 问题（非常简单，p=4.0×10-6p=4.0×10-6p=4.c，d g/PMAT24_A_CR与每道PMAT试题正确回答的RT之间的组均相关性和科目相关性。g/PMAT24_A_CR 越高的受试者正确回答简单问题的速度越快，但正确回答困难问题（问题按难度递增排序；相关符号在第 9 题翻转）的时间越长。f组平均 PMAT24_A_RTCR 与平均 FC（20 组，基于 PMAT24_A_RTCR，N=650 名受试者，p=6.9×10-7p=6.9×10-7p=6.9/times {10}^{-7}）。g，h 组平均（20 组，基于 PMAT24_A_RTCR）和受试者水平的平均 FC 与每个 PMAT 问题中正确回答的 RT 之间的相关性。花更多时间正确回答测试问题的受试者的 FC 值更高，与问题的难易无关。双侧皮尔逊相关检验的 P 值：*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001；仅包括使用本杰明-霍赫伯格程序（Benjamini-Hochberg procedure）控制多重比较后仍然显著的 P 值，误发现率为 0.1。来源：《自然-通讯》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41467-023-38626-y

 

 

人造大脑的行为与生物类似

"里特尔说："我们可以非常高效地再现单个大脑的活动。"我们在这个过程中发现，这些硅学大脑的行为彼此不同，而且与生物对应物的行为方式相同。我们的虚拟化身的智力表现和反应时间与生物类似物相匹配"。

 

有趣的是，人类和模型中 "较慢 "的大脑更加同步，即彼此同步。与协调性较差的大脑相比，这种较强的同步性使额叶的神经回路能够更长时间地推迟做出决定。模型揭示了时间协调性降低如何导致决策所需的信息既无法在需要时获得，也无法存储在工作记忆中。

 

收集证据需要时间--导致正确的决策

静息态功能磁共振成像扫描显示，解题速度较慢的人大脑区域之间的平均功能连通性或时间同步性较高。在对650名参与者进行的个性化大脑模拟中，研究人员可以确定，功能连通性降低的大脑在做出决定时，实际上是 "匆忙下结论"，而不是等到上游脑区完成解决问题所需的处理步骤。

 

研究人员要求参与者在一系列模式中找出逻辑规则。每完成一项任务，这些规则就会变得越来越复杂，因此也就越来越难以破解。在日常生活中，简单的任务包括在红灯前迅速刹车，而困难的任务则需要在路线图上有条不紊地找出最佳路线。在该模型中，参与决策的不同神经组之间会发生所谓的 "赢家通吃 "竞争，证据更充分的神经组会占上风。然而，在复杂决策的情况下，这些证据往往不够明确，无法快速做出决策，这实际上迫使神经组匆忙下结论。

 

"这项研究的第一作者、里特尔实验室的科学家迈克尔-希尔纳解释说："同步，即大脑功能网络的形成，改变了工作记忆的特性，从而改变了'忍受'长时间不做决定的能力。

 

"在更具挑战性的任务中，你必须将之前的进展存储在工作记忆中，同时探索其他解决路径，然后将这些路径相互整合。这种为特定解决方案收集证据的过程有时可能需要更长的时间，但也会带来更好的结果。我们能够利用该模型来说明，在整个大脑网络的全局层面上，兴奋-抑制平衡是如何在单个神经组的更细粒度层面上影响决策和工作记忆的。"

 

研究结果有助于制定治疗计划

里特尔感到高兴的是，在基于计算机的 "大脑化身 "身上观察到的结果与在 "真实 "健康受试者身上观察到的结果相吻合。毕竟，她的主要兴趣是帮助痴呆症和帕金森病等神经退行性疾病患者。

 

"这项研究中使用的模拟技术已经取得了长足进步，可用于改善手术和药物干预以及治疗性脑刺激的个性化硅规划。例如，医生已经可以利用计算机模拟来评估哪种干预措施或药物对特定病人效果最好，副作用最小"。