多年來(lái)，大腦一直被認(rèn)為是一臺(tái)通過(guò)傳統(tǒng)電路處理信息的生物計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)從一個(gè)細(xì)胞直接傳輸?shù)搅硪粋€(gè)細(xì)胞。雖然該模型仍然準(zhǔn)確，但由 Salk 教授 Thomas Albright 和職員科學(xué)家 Sergei Gepshtein 領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究表明，大腦解析信息還有另一種非常不同的方式：通過(guò)神經(jīng)活動(dòng)波的相互作用。該研究結(jié)果于 2022 年 4 月 22 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，幫助研究人員更好地了解大腦如何處理信息。
“我們現(xiàn)在對(duì)大腦的計(jì)算機(jī)制如何工作有了新的認(rèn)識(shí)，”視覺(jué)研究康拉德·T·普雷比斯 (Conrad T. Prebys) 主席兼索爾克視覺(jué)中心實(shí)驗(yàn)室主任奧爾布賴特說(shuō)。“該模型有助于解釋大腦的潛在狀態(tài)如何改變，從而影響人們的注意力、注意力或處理信息的能力。”
研究人員早就知道，在睡眠和清醒期間，大腦中都存在電活動(dòng)波。但是關(guān)于大腦如何處理信息的基本理論——特別是感覺(jué)信息，比如看到光或鈴聲——圍繞著被專門的腦細(xì)胞檢測(cè)到的信息，然后像一個(gè)神經(jīng)元一樣從一個(gè)神經(jīng)元穿梭到下一個(gè)神經(jīng)元。中繼。
然而，這種傳統(tǒng)的大腦模型無(wú)法解釋單個(gè)感覺(jué)細(xì)胞如何在不同條件下對(duì)同一事物做出如此不同的反應(yīng)。例如，當(dāng)動(dòng)物特別警覺(jué)時(shí)，一個(gè)細(xì)胞可能會(huì)因快速閃光而被激活，但如果動(dòng)物的注意力集中在其他事物上，則該細(xì)胞會(huì)對(duì)相同的光作出反應(yīng)而保持不活躍。
Gepshtein 將這種新的理解比作物理學(xué)和化學(xué)中的波粒二象性——即光和物質(zhì)同時(shí)具有粒子和波的特性。在某些情況下，光表現(xiàn)得好像它是一個(gè)粒子(也稱為光子)。在其他情況下，它的行為就好像它是一個(gè)波浪。粒子被限制在一個(gè)特定的位置，而波分布在許多位置。需要兩種光的觀點(diǎn)來(lái)解釋其復(fù)雜的行為。
“大腦功能的傳統(tǒng)觀點(diǎn)將大腦活動(dòng)描述為神經(jīng)元的相互作用。由于每個(gè)神經(jīng)元都被限制在一個(gè)特定的位置，這種觀點(diǎn)類似于將光描述為一個(gè)粒子，”Salk 自適應(yīng)感官合作實(shí)驗(yàn)室主任 Gepshtein 說(shuō)技術(shù)。“我們發(fā)現(xiàn)在某些情況下，將大腦活動(dòng)更好地描述為波的相互作用，這類似于將光描述為波。這兩種觀點(diǎn)都是理解大腦所必需的。”
考慮到大腦的“粒子”方法，過(guò)去觀察到的一些感覺(jué)細(xì)胞特性并不容易解釋。在這項(xiàng)新研究中，研究小組在動(dòng)物模型中觀察了 139 個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，以更好地了解細(xì)胞如何協(xié)調(diào)它們對(duì)視覺(jué)信息的反應(yīng)。他們與拉夫堡大學(xué)的物理學(xué)家 Sergey Savel'ev 合作，創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)框架來(lái)解釋神經(jīng)元的活動(dòng)并預(yù)測(cè)新現(xiàn)象。
他們發(fā)現(xiàn)，解釋神經(jīng)元行為的最好方法是通過(guò)微觀活動(dòng)波的相互作用，而不是單個(gè)神經(jīng)元的相互作用。研究人員展示了它如何創(chuàng)建分布式模式，而不是激活特定感覺(jué)細(xì)胞的閃光：許多相鄰細(xì)胞之間的活動(dòng)波，具有交替的激活波峰和波谷——就像海浪一樣。
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