哈佛醫(yī)學院利用VR技術研究神經(jīng)元在決策中的作用

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

哈佛醫(yī)學院神經(jīng)生物學助理教授、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，而不是單個神經(jīng)元的活動，即當神經(jīng)元在一起工作時有什么特殊之處。在他看來，揭示神經(jīng)元群體如何工作和應對緊急情況產(chǎn)生的反應有助于我們更好地理解復雜腦功能的基礎機制。

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和他的同事對小鼠在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行訓練。

例如，讓老鼠在一個漂浮在空氣墊上的球體上跑步，一個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自迷宮的左側還是右側。

隨著小鼠開始執(zhí)行任務，研究團隊開始記錄神經(jīng)元群體活動，大約每次50組神經(jīng)元群體，包括處理聲音的聽覺皮層（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，從中找出它們復雜的認知功能相關性。

據(jù)悉，這項研究使用最新開發(fā)的計算技術來分析每個神經(jīng)元的影響。結果發(fā)現(xiàn)：在聽覺皮層的神經(jīng)元群體（AC）傾向于相互獨立工作，每個神經(jīng)元對他人的影響?。幌喾?，后頂葉皮層神經(jīng)元（PPC）的數(shù)量對彼此影響很大，并且似乎協(xié)同工作；單個神經(jīng)元的活動是短暫的，但在不同時間點活躍的神經(jīng)元在一起工作的神經(jīng)元可以攜帶更長時間的信息；在后頂葉皮層，強烈的合作活動允許神經(jīng)元群攜帶聲音識別任務的信息長達1秒鐘；聽覺皮層的神經(jīng)元群只攜帶幾百毫秒的信息。

Christopher Harvey教授說：“聽覺皮層神經(jīng)元的瞬時激活非常適合快速波動的聲音。但頂葉皮層神經(jīng)元在在更長的時間尺度上協(xié)同工作，因為它們需要隨著時間的推移整合信息以做出最好的選擇。”

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

雖然單個神經(jīng)元的活動已經(jīng)研究了幾十年，但最近的技術進步使神經(jīng)科學家能夠同時研究大量神經(jīng)元。Harvey說，這項研究的結果對于解釋神經(jīng)元群體如何相互作用并揭示出諸如不同的活動時間尺度等涌現(xiàn)的特性，對于研究高級認知功能具有重要意義。

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

來源： 生物探索