根據(jù)哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的首項電動魚類研究，大腦對外界感知的卓越能力幾乎完全取決于其調(diào)節(jié)身體自身行為產(chǎn)生的噪音的能力。

研究發(fā)現(xiàn)，這種消除噪音的機制非常重要，沒有它，動物就會失去感知環(huán)境的能力 - 有效地使它們對周圍的世界視而不見。這些發(fā)現(xiàn)可能有助于研究人員更好地了解諸如耳鳴之類的疾病，這種疾病可能部分是由于大腦抵消自我產(chǎn)生的聲音的能力中斷而引起的慢性和可能使人衰弱的耳鳴。

這項研究今天發(fā)表于Neuron。

“最根本的是，大腦的目的是為我們周圍的世界創(chuàng)造一個準(zhǔn)確而穩(wěn)定的代表，我們長期以來假設(shè)這種消除噪音的機制在其中發(fā)揮了作用，”Nathaniel Sawtell博士說。 ，哥倫比亞大學(xué)Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute的首席研究員和該論文的資深作者。“通過今天的研究，我們提供了直接的證據(jù)，證明這種機制對于改善和提高大腦感知周圍環(huán)境的能力至關(guān)重要。”

大腦如何正確地感知和反應(yīng)來自外部世界的大量感官刺激 - 而不是用身體自身行為所產(chǎn)生的那些模糊它們 - 長期以來一直是深入研究的主題。Sawtell博士之前在電動魚和老鼠身上所做的工作揭示了大腦如何抵消由動物自身身體產(chǎn)生的可預(yù)測的感覺信息，這些信息不會傳達有用的信息。

博士說：“大腦不斷接收感官信息以及與動物自身行為相關(guān)的內(nèi)部信號。這些內(nèi)部信號充當(dāng)一種ID標(biāo)簽，將大腦固定在哪些組件是自生成的，哪些不是，”博士說。 Sawtell，同時也是哥倫比亞大學(xué)歐文醫(yī)學(xué)中心(CUIMC)神經(jīng)科學(xué)副教授。“隨著時間的推移，這些內(nèi)部信號在大腦中形成了所謂的'負(fù)面圖像'。這作為一種減法機制，使動物能夠?qū)Ｗ⒂谛袨橹匾?，來自外界的信號?rdquo;

通過今天的研究，研究人員更詳細(xì)地研究了如何創(chuàng)造這種負(fù)面圖像會影響動物的整體感官體驗。為此，他們專注于象鼻魚，這是一種來自非洲的魚，它們既可以發(fā)電，也可以感知它的環(huán)境。

“這些魚通過發(fā)電與世界相互作用，然后用這些電來定位獵物或與其他魚類交流，”Sawtell博士說。“在實驗室中，我們可以研究這一特征，作為其他動物(包括人類)如何感知周圍環(huán)境的模型。”

在這項研究中，研究人員記錄了產(chǎn)生負(fù)像的特定神經(jīng)元類別的電活動。通過這樣做，該團隊發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)元只能在負(fù)像形成后響應(yīng)外部信號。

在第二組實驗中，他們干擾了動物的噪音消除機制，并監(jiān)測了動物感官能力的差異。這些變化引人注目。

“魚不再能夠區(qū)分環(huán)境產(chǎn)生的電信號和自己行動產(chǎn)生的信號，”Sawtell博士說。“這意味著他們基本上對最基本的環(huán)境視而不見。”

專家長期以來一直懷疑大腦產(chǎn)生的負(fù)面圖像是出于這樣的目的，但直接測試這個想法已經(jīng)證明具有挑戰(zhàn)性。電魚是一種理想的系統(tǒng)，用于在神經(jīng)回路的特性與其行為功能之間建立詳細(xì)的聯(lián)系。

“這種神經(jīng)回路很不尋常，因為人們對它的生理和功能知之甚多，但它在行為中的直接作用以前從未被證實過，”該論文的共同作者Larry Abbott博士說，他也是哥倫比亞大學(xué)的首席研究員。 Zuckerman研究所和理論神經(jīng)科學(xué)的William Bloor教授和CUIMC的生理學(xué)和細(xì)胞生物物理學(xué)(生物科學(xué))教授。“這篇論文描述了一系列優(yōu)雅的實驗，表明在這種特殊的神經(jīng)回路中進行的計算對于魚類在周圍環(huán)境中的導(dǎo)航能力至關(guān)重要。”

科學(xué)家將繼續(xù)努力建立一個我們自己的大腦如何實現(xiàn)同樣壯舉的模型。他們的工作還可以深入了解系統(tǒng)中斷時會發(fā)生什么。

“其中一個例子就是耳鳴，這會導(dǎo)致耳鳴，并且可能從背側(cè)耳蝸核開始 - 我們在小鼠身上研究的大腦區(qū)域，與大腦區(qū)域中與人類等同物有驚人的相似性，”薩特爾博士說。“我們在電魚中學(xué)到的東西可能與了解人類大腦如何將自我與其他人區(qū)分開來有關(guān)。”