神奇的大脑信息处理机制

卖萌的基因 每日生物评论

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《“多巴胺就是XX”?其实多巴胺很忙》一文中我们领略了多巴胺这种神经递质的各种神奇功能,简单的分子经由灵活的通道传递竟能产生变化万千的效果,人脑中许多类型的神经元,彼此交错创造出亿万级别的连接。正是基于如此复杂的生理基础,人类才得以拥有灿烂多彩的日常。从起居住行,到婚恋社交——当然,还有多巴胺助长的上瘾,这足以让人感到惊奇。大脑因其复杂而美丽。


小编对大脑复杂的信息处理机制很着迷,于是又开始了解大脑信息处理机制。先来简单说说大脑,人的大脑是人体中最微妙的智能器官,它重约1.3千克,体积只有1.4立方米,大约有几百亿个脑细胞。大脑的表面由一层薄膜(平均约2.5mm)所覆盖,如果把这一层薄膜铺开,约有一个报纸版面(约2600平方厘米)那么大。这层薄膜叫"大脑皮质",由150亿左右的神经细胞构成,是信息接收和发放的庞大机构。而大脑髓质主要是由进出大脑半球和联络两侧半球的纤维构成,是信息传递的通道。神经细胞是脑最基本结构和功能单位,能把外来的刺激通过膜电位的变化转变为神经冲动并沿着胞突传递,再经过"分析"或"贮存",然后发出调整后的冲动传到另一个神经细胞或效应细胞。每个脑细胞大约有几百条脑神经,每条神经上大约有几百个突触,每个突触有几百到几千个蛋白质,一个脑细胞的作用大约相当于一台大型计算机,一个突触的作用大约相当于计算机的一块芯片。可以很简单地推算出来,人的大脑相当于上千亿块或上万亿块芯片。 人脑可算是是世界上最完善的“天然计算机”。


神经元映射的多样性颠覆认知


但事实上我们对于大脑的理解还停留在极为初步的阶段,我们过去对于大脑处理信息的理解,其实是非常片面和不准确的。科学家把研究感觉信息处理过程作为揭示脑的奥秘的突破口,其中以视觉系统的研究最为突出。在视知觉的研究中已取得了一系列成果。近期,一项重量级的研究刊登在了《自然》杂志上:来自冷泉港实验室与瑞士巴塞尔大学的团队通过对小鼠视觉皮层进行单神经元分析,揭示了一个令人意想不到的信息传递模式。


我们对于大脑的理解还停留在极为初步的阶段(图片来源:Pixabay)


在经典大脑模型中,我们知道信息会在皮层之间逐层传递——从初级视觉皮层(V1)处获得的信息,会往下进入到功能更为特异的区域,帮助我们识别图像。为了了解在神经元层面上的信息传递模式,研究人员们首先使用了一种叫做“全脑荧光轴突追踪”的技术,给小鼠视觉皮层里的神经元做上绿色荧光的标记。然后,他们在显微镜下仔细地标注出不同神经元所映射的位置。研究人员意外地发现,小鼠初级视觉皮层里的神经元映射极为多样——单个神经元里的信息,竟然可以传递到多个完全不同的区域。这颠覆了单个神经元只能映射到单个区域的假设!



单个神经元竟可以映射到多个不同的区域(图片来源:Zador Lab, CSHL)


在第二项实验中,研究人员们将成百上千个不同神经元用 RNA 分子进行了标记。这些 RNA 的序列都是随机的,就好像验证码一样,具有唯一性。当这些“RNA 验证码”进入到神经元后,会顺着轴突来到神经元所映射的区域。



神经元映射的多样性让人颠覆了固有的认知(图片来源:Sainsbury Wellcome Centre)


“一般人们都认为每个神经元都只映射到一个皮层区域,这是由于我们对大脑的基本结构缺乏认知,”该研究的共同第一作者 Justus M. Kebschull 博士说道:“我们的研究结果与通常的认知截然不同,有望会让未来的实验手段出现重大变化。”


大脑神经元信息的读码机制


2018年9月20日,《神经元》期刊在线发表了中科院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、中科院灵长类神经生物学重点实验室空间感知课题组,题为《通过结合决策信号的测量与微电流刺激的干扰两种方法来解析大脑神经元信息的读码机制》的研究论文。在该研究工作中,科研人员在清醒猕猴执行空间运动方向辨别任务的同时,记录了大脑皮层中上颞叶内侧皮层、中颞叶皮层和腹顶内皮层三个脑区的神经元反应,通过数学方法分离了这些反应中的两种成份,即神经元编码的感知觉信息,和与猕猴认知决策的信号,并通过微电流刺激干扰的技术手段,分别检测了三个脑区中的神经元信息被下游读取的优先级别和权重。


大脑对空间的感知包括两个重要阶段:一个是编码阶段,即外界环境中的声、色、光等刺激通过各种感官传入大脑中枢,激活了处理相应感觉刺激的神经元元件,从而把外界刺激分别编码在相应神经元的电活动中,例如偏好特定运动方向、空间朝向或者空间特定位置的细胞;二是解码或读码阶段,即这些神经元的电信号经过神经系统的层级传递,被下游神经元抽提信息,最终转化为大脑对外界刺激的感知,并在此基础上形成最终的决策,做出特定的行为。大脑神经元的编码机制已经有广泛的研究,但是其第二阶段关于解码的研究工作还相对较少,具体解码机制也不清楚。其中一个重要的方法是在实验动物执行认知决策任务的同时,测量相应感觉神经元的电发放波动中哪些是与抉择相关联的信号。虽然至今在许多感觉皮层中都已经发现了与决策相关的信号,但是这些信号究竟能否直接反映神经元所编码的信息被大脑读取和利用以形成抉择,还是只是反映了大脑在形成抉择之后,再反馈给上游神经元的一个下行信号,一直都存在着激烈的争论。这些争论目前都只停留在理论层面上,争论的双方都缺乏有力的实验证据支持。


在本研究工作中,神经所研究生余雪菲和空间感知课题组组长顾勇研究员训练猕猴通过眼动来报告它们所感知到的光流在空间中的运动方向,并在猕猴执行任务的同时,记录了上颞叶内侧皮层(MST)、中颞叶皮层(MT)和腹顶内皮层(VIP)三个脑区的神经元胞外电生理活动,通过数学方法分离了两种成份,一是神经元所编码的视觉运动方向信息,即感觉成份;二是与猕猴认知决策相关的成份,即决策信号。分析发现,在三个脑区中,感觉信号并不是一直与决策信号保持一致,有时也会出现相反的情况,比如某些神经元偏好编码向左运动,每次神经元发放增强的时候,应该促使猕猴更多的选择向左运动(“感觉-决策一致细胞”,图中左下角细胞),但在行为上猕猴却是更多地选择向右运动(“感觉-决策相反细胞”)。利用微电流刺激进一步实验发现,在MST和MT皮层中通过微电流人为兴奋这两类细胞时,都能显著地使猕猴的认知决策发生偏差,并且偏差的方向都趋向于被电刺激兴奋的神经元所编码的偏好感觉信息方向,而不是决策信号所反映的方向。微电流刺激“感觉-决策一致细胞”对猕猴认知决策产生的偏差要大于刺激“感觉-决策相反细胞”一倍左右,表明了前者的读码权重要大于后者(图中间粗细箭头分别表示)。微电流刺激VIP神经元却不能影响猕猴的认知决策,提示这个脑区的运动信息在当前任务中并没有被下游脑区所读取和利用。


这些直接实验结果首次解析了大脑皮层神经元所编码的感觉信息和猕猴表现的决策相关信息在解码过程中的作用,为关于决策信号在感知觉皮层中作用的长期争论提供了重要的实验证据,表明大脑神经元信息的读码权重不仅与特定脑区有关,还与特定脑区中的特定神经元集群有关。此外通过建模,该研究还提出了一定的理论预期,即两类神经元集群之间存在负相关的噪音,有待于后续实验进一步验证。



图注:在猕猴大脑皮层中存在两类细胞,感觉-决策一致性细胞(左例)和感觉-决策相反性细胞(右例)。两类细胞之间通过特定的相关性噪音结构连接(中间热图)。微电流刺激实验表明两类细胞都贡献于猕猴的认知决策,但前者的读取权重更大,大约是后者的两倍(粗细箭头表示)。


大脑信息处理机制的复杂程度超乎我们的想象,有许多未解之谜等待我们去研究,可以预见会有更多颠覆固有认知的重磅发现!


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