對(duì)鼠標(biāo)視覺系統(tǒng)中近60,000個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)的一項(xiàng)新調(diào)查顯示，我們必須走多遠(yuǎn)才能了解大腦的計(jì)算方式。由艾倫研究所(Allen Institute)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)分析今天發(fā)表在國際期刊《自然神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)上，該分析表明，視覺皮層(處理我們的視覺世界的大腦部分)中有90%以上的神經(jīng)元不能像科學(xué)家們想象的那樣起作用-尚不清楚它們的工作方式。

“我們認(rèn)為存在簡(jiǎn)單的原理，這些神經(jīng)元根據(jù)這些原理處理視覺信息，所有的教科書中都包含這些原理，”艾倫腦科學(xué)研究所首席科學(xué)家兼總裁Christof Koch博士說。艾倫研究所(Allen Institute)的研究員，該研究的共同資深作者以及艾倫腦科學(xué)研究所的高級(jí)研究員R. Clay Reid博士。“但是現(xiàn)在我們可以一次調(diào)查成千上萬個(gè)細(xì)胞，因此我們得到了更加細(xì)微，復(fù)雜得多的圖像。”

大約60年前，兩位神經(jīng)科學(xué)家David Hubel和Torsten Wiesel做出了開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)，關(guān)于哺乳動(dòng)物的大腦如何感知我們周圍的視覺世界。他們的工作發(fā)現(xiàn)了單個(gè)神經(jīng)元，這些神經(jīng)元僅在響應(yīng)非常特殊的圖像時(shí)才打開。

于貝爾(Hubel)和威塞爾(Wiesel)通過向貓和猴子展示簡(jiǎn)單的圖片(如黑條或白色背景上的點(diǎn))來發(fā)現(xiàn)自己的發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)的基本原理是，當(dāng)您觀察周圍的世界時(shí)，大腦中的特定神經(jīng)元負(fù)責(zé)識(shí)別該場(chǎng)景特定區(qū)域中的確切部分，并且識(shí)別在該圖像的高階部分變得更加專業(yè)化和微調(diào)。腦。

假設(shè)您在公園中：一組神經(jīng)元會(huì)在您視線內(nèi)的精確位置激發(fā)對(duì)黑暗樹枝的快速電響應(yīng)。只有當(dāng)一只鳥從左到右飛過您的視野時(shí)，其他神經(jīng)元才會(huì)打開。然后，您的大腦會(huì)將來自“樹枝”神經(jīng)元和“正在移動(dòng)的鳥”神經(jīng)元的信息縫合在一起，以獲取您周圍世界的完整圖片，或者理論如此。

Hubel和Wiesel的發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，并且構(gòu)成了大多數(shù)計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的骨干。在過去的十年中，隨著新的神經(jīng)科學(xué)方法的出現(xiàn)，可以同時(shí)研究越來越多的腦細(xì)胞，科學(xué)家們逐漸了解到，這種關(guān)于我們大腦的模型似乎并非全部，某些神經(jīng)元顯然無法做到這一點(diǎn)。遵循調(diào)整特定功能的經(jīng)典模型。

但是，這個(gè)故事到底有多不完整還不清楚。

腦活動(dòng)變異

這項(xiàng)新研究是對(duì)艾倫大腦天文臺(tái)公開數(shù)據(jù)的首次大規(guī)模分析，這項(xiàng)廣泛的調(diào)查可以捕獲小鼠視覺系統(tǒng)中成千上萬個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。研究人員分析了動(dòng)物視覺上不同的簡(jiǎn)單圖像，照片和短片(包括奧森·威爾斯經(jīng)典電影“ Touch” 的開場(chǎng)鏡頭)，從而在大腦皮層的視覺部分(大腦皮層的視覺部分)中分析了近60,000種不同神經(jīng)元的活動(dòng)。邪惡”(之所以選擇，是因?yàn)樗鼊?dòng)作靈敏，并且沒有割傷的單發(fā)射擊)。

兩位合著者M(jìn)ichael Buice和Saskia de Vries在2光子顯微鏡之一中用來記錄小鼠視覺皮層中細(xì)胞的活性。信用：艾倫研究所

1950年代和60年代，神經(jīng)科學(xué)研究必不可少，就像釣魚探險(xiǎn)一樣。研究人員用單個(gè)電極在大腦中搜尋，直到發(fā)現(xiàn)可靠地響應(yīng)特定圖像的神經(jīng)元?？坪照f，這類似于試圖通過一些零散的針孔觀看寬屏電影，這是不可能獲得完整圖像的。艾倫大腦天文臺(tái)的數(shù)據(jù)集無法捕獲每種情況下每個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，但是它使研究人員能夠一次研究更多的神經(jīng)元，包括那些反應(yīng)較微妙的神經(jīng)元。

研究人員的新分析發(fā)現(xiàn)，在遵循教科書模型的6萬個(gè)神經(jīng)元中，只有不到10%做出了反應(yīng)。在其余的中，約三分之二顯示了一些可靠的響應(yīng)，但是它們的響應(yīng)比經(jīng)典模型所預(yù)測(cè)的更專業(yè)。研究人員說，最后三分之一的神經(jīng)元表現(xiàn)出一定的活性，但是在實(shí)驗(yàn)中它們并未可靠地被任何刺激點(diǎn)燃-目前尚不清楚這些神經(jīng)元在做什么。

艾倫(Allen)助理研究員薩斯基亞·德弗里斯(Saskia de Vries)博士說：“并不是以前的研究都是一個(gè)大錯(cuò)誤，而是這些細(xì)胞只占了皮層中所有神經(jīng)元的一小部分。”腦科學(xué)研究所和JérômeLecoq博士以及Michael Buice博士一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。“事實(shí)證明，鼠標(biāo)的視覺皮層比我們以前認(rèn)為的要復(fù)雜得多，也更豐富，這凸顯了進(jìn)行此類調(diào)查的價(jià)值。”

這些變化多，特異性低的神經(jīng)元的存在并不是新聞。研究人員說，但是令人驚訝的是它們占據(jù)了老鼠大腦的視覺部分。

大腦如何計(jì)算

尚不清楚這些其他神經(jīng)元如何有助于處理視覺信息。研究人員發(fā)現(xiàn)，其他研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)大腦視覺部分的神經(jīng)元活動(dòng)，但是無論老鼠在奔跑還是仍然只能解釋視覺反應(yīng)的少量變化。

他們的下一步是對(duì)更多的自然電影進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，從而為神經(jīng)元提供更多的視覺特征來響應(yīng)。Buice從他能接觸到的幾乎所有自然紀(jì)錄片中制作了10個(gè)小時(shí)的專業(yè)剪輯片段。

研究人員還指出，經(jīng)典模型來自對(duì)貓和靈長(zhǎng)類動(dòng)物的研究，對(duì)動(dòng)物和動(dòng)物的進(jìn)化都比對(duì)小鼠更加著眼于注視中心。鼠標(biāo)視覺可能與我們完全不一樣。但是，這些研究仍然有一些原理可能適用于我們自己的大腦，艾倫腦科學(xué)研究所副研究員Buice說。

“我們的目標(biāo)不是研究視覺;我們的目標(biāo)是研究皮質(zhì)的計(jì)算方式。我們認(rèn)為皮質(zhì)具有通用的計(jì)算結(jié)構(gòu)，類似于不同類型的計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行相同程序的方式，” Buice說。“最后，計(jì)算機(jī)運(yùn)行哪種程序都沒有關(guān)系;我們想了解計(jì)算機(jī)如何運(yùn)行程序。”