麻省理工通过拓扑建模首次发现小鼠脑海里的“指南针”

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2019年8月12日发表于Nature Neuroscience的一篇文章解释了本身问题报告 ,麻省理工学院的神经科学家Sabbi Lall等人发现了每二根鼠大脑中特殊的神经环路,该环路都可以 将环境中高维的简化信号转换为简单的抽象对象。研究者们对哺乳动物头部方向电路中的流形型态进行了表征和直接可视化,揭示了那先 情况报告形成了一好几个 拓扑上独特的一维环。

麦戈文研究所的Fiete是这篇文章的作者之一,同去也是麻省理工学院大脑和认知科学系的副教授,她提到内部世界并这麼方位标识,朋友当前头部的方向信息需要由大脑来提取、计算和评估。本身过程使朋友都可以 证实低维概念的再次老出,本质即大脑中居于一好几个 抽象的指南针。研究者称该指南针是个代表目前头部相对于内部世界方向的一维环。

Fiete说:“没本身环,朋友将迷失于本身世界。”

曾有对果蝇大脑的研究揭示过一好几个 这类的神经元椭圆环,代表果蝇头部方向变化,研究人员怀疑本身系统也将会居于于哺乳动物中。

Fiete使用了本身称为拓扑建模的妙招,将大量简化神经元的活动转加在环形的数据云。这类在看不到具体模式的情况报告下,通过追踪沙丁鱼,绘制整个沙丁鱼群位置的点,以及每条鱼相对于其邻居的位置,本身清晰的鱼群活动模式就会浮现出来。本身模型通常构成环形,一好几个 由数百条单独的鱼活动形成的简单型态。

Fiete和她的同事们测量了小鼠在环境中自由活动时,丘脑前背核的数好几个 神经元的神经活动小时数,丘脑前背核(anterodorsal thalamic nucleus ,ADN)目前被认为在区域空间导航中发挥重要作用。朋友绘制了当动物头部改变方向时,ADN回路中的神经元如保进行电活动。最终发现那先 数据点同去形成了一好几个 简单而持久的环形云。

挪威卡维利系统神经科学研究所所长Moser未这麼参与这项研究,但对其十分关注,他认为完后 的数据间接证明居于这麼 一好几个 环状组织,但现在研究者们才有将会用相当于的细胞数量和令人信服的妙招地证明其居于。

动物行为十分简化,该环路通过编码头部方向的本身一维指南针整合动物的传输速率。将会这麼一好几个 能获取整体空间情况报告的妙招,就无法知晓本身由数千个神经元组成的回路编码了动物简化行为的本身方面,也无法知晓它否有还参与编码了这名行为。拓扑建模妙招使得Fiete和同事们都可以 取舍该环路中关键的变量,并接下来致力于通过神经反应来解码本身变量。

即使在快速眼动睡眠期间,这麼内部信息的轰击,本身回路仍都可以 追踪出同一好几个 一维环,如同梦见头部这麼 的方向轨迹。

进一步分析表明,该环起能吸引子的作用。将会相关神经元每项了轨道,它们会被拉回到轨道上,越来好快修正。本身型态因为着即使在抽象空间中,头部方向的感知在一段时间内也是可靠稳定的,这是朋友保持头部相对于内部世界稳定定位的关键因素。

该研究让朋友得以初步了解简化的感官信息如保在头脑中被提炼成简单的概念,以及本身表达是如保自动修正以维持稳定。这名这项研究的含义不仅仅是头部方向的编码。这类的组织环路还有将会居于于这名认知功能中。挪威科技大学、普林斯顿大学、威茨曼研究所等机构的神经科学家们已在进行相关研究,朋友的工作是未来神经解码研究的基础。

大脑以简单的型态解构和代表世界上简化的事物,多层次分析都可以 帮助研究者们找到那先 型态。

这名这篇文章将会会给这名新的研究提供思路和研究妙招上的启示。有了本身妙招,也有将会从大脑中提取其确切的抽象表征,甚至将会是思想和梦境。

研究背景

常言“看山是山,看山也有山,看山还是山”,大脑如保得知是山非山?神经元是如保将原始的视觉信号转化为某个物体的心理表征?世界不断地以各种各样的信息轰炸着朋友的感官,这名大脑从那先 信息中萃取其意义的妙招仍然未知。

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