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    快速替换的脑电波:神经元如安在竞赛选项中做出决议

    当大脑在考虑多种或许的情形时,能够将其标明为与特定脑电波单个周期相一致的快速替换信号。该进程将情形信息打包起来,但也使其坚持不同。

      当大脑在考虑多种或许的情形时,能够将其标明为与特定脑电波单个周期相一致的快速替换信号。该进程将情形信息打包起来,但也使其坚持不同。

       北京时间4月23日音讯,当面对某个决议计划时,大脑会在快速替换的脑电波周期中对各种选项进行权衡。

      在日常日子中,一切人都常常会面对有意识和无意识的挑选。这不仅仅包含吃什么、穿什么,或许怎样度过周末,还包含应该用哪只手拿笔,以及是否要改动坐姿等。为了做出哪怕微乎其微的决议,咱们的大脑都会从一堆“假如”中进行挑选,并权衡各种假定。即使是那些看起来是主动做出的挑选——比方避开一辆超速行驶的轿车——大脑也能十分迅速地从以往经历中进行揣度,做出猜想并辅导你的行为。

      在近期发表于《细胞》杂志的一篇论文中,美国加利福尼亚州的一组研讨人员对行将做出决议的大鼠大脑进行了细心研讨,调查它们的神经元怎么对已有的竞争性选项做出快速决议。该研讨所描绘的机制或许不仅是决议计划的根底,并且是动物幻想更笼统或许性——相似于幻想力——的才能根底。

      该研讨团队由美国加州大学旧金山分校的神经学家洛伦·弗兰克领导,他们研讨了大鼠海马体的细胞活动。海马体是一个海马状的大脑区域,被以为在导航以及回忆的存储和检索方面起着至关重要的效果。研讨人员对一种名为“方位细胞”的神经元给予了额定重视。这种神经元又被称为“大脑的GPS”,由于当动物在空间中移动时,它们会在大脑中描绘出其所在方位。

    在迷宫中心时,大鼠的一些方位细胞会在它们向左转弯之前宣布信号,而另一些方位细胞则是在向右转弯之前宣布信号。一个合乎逻辑的猜想是,当大鼠挨近转弯点时,这两组方位细胞有时会一起宣布信号,由于在迷宫的这一区域,方位细胞的一起活动反映了大鼠当时的方位。可是,这一现象从未呈现过。相反地,两组方位细胞会轮番宣布电信号。

      在迷宫中心时,大鼠的一些方位细胞会在它们向左转弯之前宣布信号,而另一些方位细胞则是在向右转弯之前宣布信号。一个合乎逻辑的猜想是,当大鼠挨近转弯点时,这两组方位细胞有时会一起宣布信号,由于在迷宫的这一区域,方位细胞的一起活动反映了大鼠当时的方位。可是,这一现象从未呈现过。相反地,两组方位细胞会轮番宣布电信号。

      当动物在环境中移动时,方位细胞能以特定的次序十分快速地宣布信号。这种活动相当于从动物死后扫描至动物前方。研讨标明,这种向前的扫描也包含了方针或奖赏方位的信息。在老鼠大脑中,这些神经活动形式被称为“θ周期”,大约每秒重复8次,这代表了老鼠不断更新的虚拟轨道。

      不过,弗兰克的团队现在发现,当一种动物行将举动时,与θ周期相关的神经活动会在不同的未来或许途径之间来回重复发作。这不仅仅是对行将发作的作业进行猜想,并且能够视为一种对很多或许性的高速重复测验。

      脑电波中替换呈现的情形

      研讨人员练习大鼠在一个W形迷宫中替换走不同的道路,一起用电极记载其大脑中方位细胞的活动。试验开端后,大鼠会跑到迷宫的中心,然后向左或向右转。研讨人员注意到,当大鼠到了有必要决议转左或转右的时分,它们的方位细胞呈现了一些古怪的行为。

      在迷宫中心时,大鼠的一些方位细胞会在它们向左转弯之前宣布信号,而另一些方位细胞则是在向右转弯之前宣布信号。一个合乎逻辑的猜想是,当大鼠挨近转弯点时,这两组方位细胞有时会一起宣布信号,由于在迷宫的这一区域,方位细胞的一起活动反映了大鼠当时的方位。可是,这一现象从未呈现过。

      相反地,两组方位细胞会轮番宣布电信号。这就比方,在大鼠决议走哪条路之前,它的海马体经过替换处理“左”和“右”两个选项来决议行将面对的方位改动,并始终坚持二者的差异。

      “大脑在努力地把这些信号区分隔,”弗兰克说,“但问题是,为什么要这么做?”在之前的研讨中,美国明尼苏达大学神经学家戴维·雷迪什和已故的亚当·约翰逊提醒了动物在迷宫中穿行时,其方位细胞也呈现了相似的来回扫描未来或许方位的现象。可是,这些改动好像与更稳重的行为有关,两位科学家没有研讨“左”或“右”的表现是随机呈现的仍是更有规则的。

      相比之下,加州大学旧金山分校的研讨小组所确认的改动与每一个θ周期都是准确符合的。在一个θ周期内,海马体发作左转挑选的信号,然后鄙人一个θ周期中切换到右转挑选。在整个试验进程中,这些场景并不总是完美地替换呈现,有时相同的场景会继续数个周期,但信号中的结构是不可否认的。这些125毫秒的序列好像将大脑对未来的不同假定分隔成一个连接的全体结构。

      “这其间最令人惊奇的是它的规则性。这太难以幻想了,”纽约大学医学院的神经学家乔治·布萨基说, “这是一个一一对应的联络:一个周期向左,一个周期向右,然后再向左,然后再向右。”布萨基并未参加这项新研讨,但他标明,这种高度结构化的组织能够使每一个“假如”场景都能以平衡、有序的方法得到测验,然后有或许做出有利的决议。

      当弗兰克和搭档们更细心地调查θ周期的神经活动时,他们发现,每个周期的榜首部分与大鼠当时的方位相对应,而第二部分显现的才是“向左”或“向右”的挑选。整个形式看起来有点像“当时方位—向左的或许性—当时方位—向右的或许性”,然后不断重复。

      保存一切或许选项

      研讨数据中也表现了其他一些风趣的形式。例如,研讨人员发现,θ周期不仅在大鼠面对的左、右或许性之间重复转化,并且有时单个周期还会包含改动道路的或许性。这一发现令人困惑,由于在那个时分,这种改动好像不是大鼠需求考虑的选项。

      哥伦比亚大学博士后研讨者、《细胞》杂志这篇论文的榜首作者肯尼斯·凯以为,这一现实违反了海马体只能猜想动物接下来会遇到什么情况的观念。他说:“这标明,这种循环结构或许是联络海马体所能编码的各种事物的一种遍及方法。”

      这种情况,“看起来像是一种思想的明晰表达,‘假如我走另一条路,会发作什么,是否值得回头?’,”弗兰克说道。

      因而,当触及到对设想情形进行编码时,θ周期好像有着更遍及的用处。加拿大麦吉尔大学的神经学家马克·布兰登没有参加这项研讨,他标明,每个θ周期“都包含特定的内容”。他指出:“或许是‘左转’或‘右转’,但从更广义的视点,能够是某段特定的回忆,或许发作了某个特定的事情,被编码在了由θ振动所供给的这125毫秒的周期内。”

      戴维·雷迪什也没有参加这项新研讨,但他赞同布兰登的观念。“它不仅仅代表空间,也代表了某种情节结构,”他说。“关键在于考虑你的挑选。”

      研讨人员说,θ周期或许是一个根本的核算单位,海马体用其来测验这些笼统的挑选。大多数情况下,θ周期的内容或许根据经历,能够使动物对改动的环境做出快速和灵敏的反响,比方逃离捕食者。可是,“咱们的研讨也标明,θ周期不一定会在未来以任何直接或十分显着的方法协助咱们,”肯尼斯·凯说,“它或许在更广泛的创造性、生产性或幻想进程中发挥效果。”

      这种或许性将海马体的定位从一个经过与回忆相关的功能来辅佐决议计划的大脑区域,提高到一种学习结构,能够从幻想的未来情形中发作并提取信息,模仿可供其他大脑区域评价和采纳举动的选项。θ周期好像是一个明晰的切入点,有助于说明海马体终究怎么运作。

      在了解其他认知进程或神经系统的情况时,转瞬即逝的θ周期也或许起到至关重要的效果。一般,对神经进程的研讨会在试验进程中均匀地调查细胞活动,但弗兰克及其搭档的作业证明,当信息以更快的时间尺度进行“打包”时,对其进行解析将十分重要。

      研讨人员现在正在研讨导致θ周期替换形式的机制,以及这种活动怎么在决议计划进程中影响大脑的其他部分。他们还在进行了触及两种以上挑选情形的迷宫试验。虽然啮齿类动物的大脑节律与人类不同,但研讨人员期望他们的发现也能适用于包含人类在内的其他物种。“对认知和幻想的精密时间尺度结构,咱们只了解皮裘,”肯尼斯·凯说,“一想到这一点,我就觉得很风趣。”

     

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