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Nature:哈佛医学院利用VR技术研究神经元在决策中的作用

2017/07/21 来源:生物探索
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导读
科学家通过在一个虚拟现实的迷宫训练老鼠进行语音识别任务,发现在不同的脑功能皮层区域的神经元群体在面对决策时形成鲜明对比,并揭示了工作记忆和决策的潜在神经机制。

近日,来自哈佛医学院(Harvard Medical School,HMS)和意大利理工学院(Istituto Italiano di Tecnologia,IIT)的科学家在虚拟现实(virtual reality)的迷宫里训练老鼠进行语音识别任务,发现在不同脑功能皮层区域的神经元群体在面对决策时形成鲜明对比,揭示了工作记忆和决策的潜在神经机制。这一研究以“Distinct timescales of population coding across cortex”(不同皮层编码的时间尺度)为题发表在《自然》(Nature)杂志上。

哈佛医学院神经生物学助理教授、共同通讯作者Christopher Harvey表示,他们的研究是朝着大脑思考的方向发展,而不是单个神经元的活动,即当神经元在一起工作时有什么特殊之处。在他看来,揭示神经元群体如何工作和应对紧急情况产生的反应有助于我们更好地理解复杂脑功能的基础机制。

为了探索神经元群体如何在大脑的不同区域在一起工作,Harvey和他的同事对小鼠在虚拟现实环境中进行训练。

例如,让老鼠在一个漂浮在空气垫上的球体上跑步,一个T形迷宫投影到他们面前的屏幕上并发出声音,让老鼠判断这一声音是来自迷宫的左侧还是右侧。

随着小鼠开始执行任务,研究团队开始记录神经元群体活动,大约每次50组神经元群体,包括处理声音的听觉皮层(auditory cortex,AC)、皮层刺激区域后顶叶皮层(posterior parietal cortex,PPC)以及其他感官区域,从中找出它们复杂的认知功能相关性。

据悉,这项研究使用最新开发的计算技术来分析每个神经元的影响。结果发现:在听觉皮层的神经元群体(AC)倾向于相互独立工作,每个神经元对他人的影响小;相反,后顶叶皮层神经元(PPC)的数量对彼此影响很大,并且似乎协同工作;单个神经元的活动是短暂的,但在不同时间点活跃的神经元在一起工作的神经元可以携带更长时间的信息;在后顶叶皮层,强烈的合作活动允许神经元群携带声音识别任务的信息长达1秒钟;听觉皮层的神经元群只携带几百毫秒的信息。

Christopher Harvey教授说:“听觉皮层神经元的瞬时激活非常适合快速波动的声音。但顶叶皮层神经元在在更长的时间尺度上协同工作,因为它们需要随着时间的推移整合信息以做出最好的选择。”

为了支持这一假设,研究小组发现,在试验中老鼠更容易做出正确的选择:顶叶皮层神经元似乎作为一个群体工作得更好,神经元的活动具有更强的耦合性。在较弱的耦合试验中,老鼠似乎更可能做出错误的选择。

虽然单个神经元的活动已经研究了几十年,但最近的技术进步使神经科学家能够同时研究大量神经元。Harvey说,这项研究的结果对于解释神经元群体如何相互作用并揭示出诸如不同的活动时间尺度等涌现的特性,对于研究高级认知功能具有重要意义。

Harvey希望我们能够理解顶叶和听觉皮层之间的差异的网络和突触机制,就越有可能了解短期或工作记忆的机制。在他看来,越是开发出更多的工具和方法来思考神经元的数量,就越能理解大脑。

参考资料:

New study reveals contrasts in how groups of neurons function during decision making

Distinct timescales of population coding across cortex

Contrasts in how groups of neurons function during decision making

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