哈佛醫(yī)學(xué)院利用VR技術(shù)研究神經(jīng)元在決策中的作用

近日，來(lái)自哈佛醫(yī)學(xué)院（Harvard Medical School，HMS）和意大利理工學(xué)院（Istituto Italiano di Tecnologia，IIT）的科學(xué)家在虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality）的迷宮里訓(xùn)練老鼠進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)，發(fā)現(xiàn)在不同腦功能皮層區(qū)域的神經(jīng)元群體在面對(duì)決策時(shí)形成鮮明對(duì)比，揭示了工作記憶和決策的潛在神經(jīng)機(jī)制。這一研究以“Distinct timescales of population coding across cortex”（不同皮層編碼的時(shí)間尺度）為題發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。

哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)助理教授、共同通訊作者Christopher Harvey表示，他們的研究是朝著大腦思考的方向發(fā)展，而不是單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，即當(dāng)神經(jīng)元在一起工作時(shí)有什么特殊之處。在他看來(lái)，揭示神經(jīng)元群體如何工作和應(yīng)對(duì)緊急情況產(chǎn)生的反應(yīng)有助于我們更好地理解復(fù)雜腦功能的基礎(chǔ)機(jī)制。

為了探索神經(jīng)元群體如何在大腦的不同區(qū)域在一起工作，Harvey和他的同事對(duì)小鼠在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練。

例如，讓老鼠在一個(gè)漂浮在空氣墊上的球體上跑步，一個(gè)T形迷宮投影到他們面前的屏幕上并發(fā)出聲音，讓老鼠判斷這一聲音是來(lái)自迷宮的左側(cè)還是右側(cè)。

隨著小鼠開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始記錄神經(jīng)元群體活動(dòng)，大約每次50組神經(jīng)元群體，包括處理聲音的聽(tīng)覺(jué)皮層（auditory cortex，AC）、皮層刺激區(qū)域后頂葉皮層（posterior parietal cortex，PPC）以及其他感官區(qū)域，從中找出它們復(fù)雜的認(rèn)知功能相關(guān)性。

據(jù)悉，這項(xiàng)研究使用最新開(kāi)發(fā)的計(jì)算技術(shù)來(lái)分析每個(gè)神經(jīng)元的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在聽(tīng)覺(jué)皮層的神經(jīng)元群體（AC）傾向于相互獨(dú)立工作，每個(gè)神經(jīng)元對(duì)他人的影響小；相反，后頂葉皮層神經(jīng)元（PPC）的數(shù)量對(duì)彼此影響很大，并且似乎協(xié)同工作；單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)是短暫的，但在不同時(shí)間點(diǎn)活躍的神經(jīng)元在一起工作的神經(jīng)元可以攜帶更長(zhǎng)時(shí)間的信息；在后頂葉皮層，強(qiáng)烈的合作活動(dòng)允許神經(jīng)元群攜帶聲音識(shí)別任務(wù)的信息長(zhǎng)達(dá)1秒鐘；聽(tīng)覺(jué)皮層的神經(jīng)元群只攜帶幾百毫秒的信息。

Christopher Harvey教授說(shuō)：“聽(tīng)覺(jué)皮層神經(jīng)元的瞬時(shí)激活非常適合快速波動(dòng)的聲音。但頂葉皮層神經(jīng)元在在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上協(xié)同工作，因?yàn)樗鼈冃枰S著時(shí)間的推移整合信息以做出最好的選擇?！?/span>

為了支持這一假設(shè)，研究小組發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)中老鼠更容易做出正確的選擇：頂葉皮層神經(jīng)元似乎作為一個(gè)群體工作得更好，神經(jīng)元的活動(dòng)具有更強(qiáng)的耦合性。在較弱的耦合試驗(yàn)中，老鼠似乎更可能做出錯(cuò)誤的選擇。

雖然單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)已經(jīng)研究了幾十年，但最近的技術(shù)進(jìn)步使神經(jīng)科學(xué)家能夠同時(shí)研究大量神經(jīng)元。Harvey說(shuō)，這項(xiàng)研究的結(jié)果對(duì)于解釋神經(jīng)元群體如何相互作用并揭示出諸如不同的活動(dòng)時(shí)間尺度等涌現(xiàn)的特性，對(duì)于研究高級(jí)認(rèn)知功能具有重要意義。

Harvey希望我們能夠理解頂葉和聽(tīng)覺(jué)皮層之間的差異的網(wǎng)絡(luò)和突觸機(jī)制，就越有可能了解短期或工作記憶的機(jī)制。在他看來(lái)，越是開(kāi)發(fā)出更多的工具和方法來(lái)思考神經(jīng)元的數(shù)量，就越能理解大腦。

來(lái)源： 生物探索