我们每天都在运用一种强大的能力：举一反三。简单举例：在数学课上当老师教了学生“三角形内角和是180°”，学生立刻能推得，四边形可以分成2个三角形，内角和180°× 2=360°，五边形可以分成3个三角形，内角和180°×3=540°，进而推出n边形的内角和公式 (n−2)×180 °。在生活中，妈妈教做红烧肉，关键步骤是“炒糖色”—锅里放油和糖，炒到琥珀色，放入五花肉翻炒上色。当手边有鸡翅，我们想：既然能红烧肉，那也能做红烧鸡翅。冰箱有排骨，于是我们又学会了红烧排骨。这就是抽象规则的泛化—从具体经验中提炼普适性原则并灵活地应用到全新的、未曾经历过的场景中。这一能力不仅是生物体智能区别于简单刺激-反应系统的核心标志，也是实现高效学习、问题解决和创造力的基础。理解其神经机制，是揭示智能本质、沟通生物学与人工智能的终极挑战之一。

近日，华东师范大学生命科学学院许兢宏和俞黎平团队的研究首次在小鼠上建立了跨模态抽象规则泛化行为范式，并揭示了背内侧丘脑到内侧前额叶皮层环路在此过程中的关键作用。通过行为动物电生理、环路光遗传，揭示了规则泛化的新机制—丘脑背内侧核通过稳定前额叶皮层的抽象规则表征，从而实现跨感觉模态的规则泛化。相关成果发表于Science Advances。

小鼠也能“举一反三”

我们通过训练小鼠完成跨感觉模态的规则转换任务，首次揭示了小鼠能够将抽象的匹配/非匹配规则从听觉频率信息泛化到视觉方位信息（反之亦然），并且这种抽象规则泛化能力依赖于规则本身的学习而非简单的刺激-结果关联：当小鼠先学会听觉频率信息版本的延迟匹配/非匹配任务后，它们在首次接触视觉方位信息版本任务时的正确率显著高于随机水平（达76.6%），而只学会简单听觉分辨任务（刺激-结果关联）的小鼠在转换到视觉匹配/非匹配任务时表现仅为随机水平，需要额外十多个训练周期才能达到相同标准，这证明了动物确实掌握了独立于具体感觉模态的抽象规则概念。

图1 小鼠能够跨感觉模态学习并泛化延迟匹配/非匹配（DMS/DNMS）抽象规则

寻找大脑中的“规则代码”

通过电生理记录，我们发现小鼠内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex, mPFC）的神经元在跨模态规则泛化过程中表现出稳定的编码模式。无论是在熟悉的声音任务中，还是在全新的视觉任务中，mPFC的神经元都表现出相似的活跃模式，它们编码“延迟期信息”（记住第一个刺激）和“选择期信息”（判断是否匹配）。此外，基于熟悉听觉任务训练的线性分类器能准确预测新颖视觉任务中的神经元活动。这些结果表明，大脑并不是为每个新场景都建立一套全新的神经编码，而是让同一群神经元稳定地表达一个“通用的规则代码”。这种表征的稳定性，是实现规则泛化的关键。

图2 内侧前额叶皮层（mPFC）的神经元在跨模态规则泛化过程中表现出稳定的编码模式

揭秘背后的“稳定器”— 丘脑

那么，是谁在幕后指挥，维持着前额叶皮层这种稳定的活动呢？我们注意到了丘脑中的一个重要核团—背内侧核（mediodorsal thalamus, MD）。它与前额叶皮层有紧密的神经连接，就像一个“调控开关”。我们利用光遗传学技术，精确地调控了MD到mPFC这条通路。结果发现：丘脑背内侧核通过稳定前额叶皮层的规则表征，使小鼠能够在新情境中灵活运用抽象规则：当MD输入被抑制时，mPFC神经元在延迟期和选择期的任务相关选择性显著降低，导致规则泛化行为受损；在抑制条件下学习新颖任务后，mPFC会招募完全不同的神经元群体分别处理听觉和视觉任务，无法形成跨模态的稳定规则编码；增强MD输入则能提升规则泛化表现。

图3 丘脑背内侧核（MD）通过稳定前额叶皮层的规则表征，使小鼠能够在新情境中灵活运用抽象规则

此项研究在细胞和环路水平上揭示了规则泛化的新机制—丘脑背内侧核通过稳定前额叶皮层的抽象规则表征，从而实现跨感觉模态的规则泛化。研究不仅将深化对认知灵活性基本规律的理解，也为研究精神分裂症、自闭症等疾病中常见的认知灵活性缺陷，提供了全新的视角和潜在的干预靶点。当前人工智能在特定任务上表现出色，但在小样本、跨领域泛化能力上仍逊于人脑。相比之下，生物体大脑通过丘脑稳定前额叶皮层的抽象规则表征，从而实现小样本泛化。这些生物学启发的计算原理，有望为开发新一代具有更强适应性和泛化能力的机器学习模型提供灵感。

华东师范大学生命科学学院许兢宏副教授和俞黎平教授为本文共同通讯作者；研究生汪证是本文的第一作者。论文得到科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目及国家自然科学基金的支持。

附：

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aec6201