神奇的大腦信息處理機制

《“多巴胺就是XX”?其實多巴胺很忙》一文中我們領略了多巴胺這種神經遞質的各種神奇功能,簡單的分子經由靈活的通道傳遞竟能產生變化萬千的效果,人腦中許多類型的神經元,彼此交錯創造出億萬級別的連接。正是基于如此復雜的生理基礎,人類才得以擁有燦爛多彩的日常。從起居住行,到婚戀社交——當然,還有多巴胺助長的上癮,這足以讓人感到驚奇。大腦因其復雜而美麗。

 

小編對大腦復雜的信息處理機制很著迷,于是又開始了解大腦信息處理機制。先來簡單說說大腦,人的大腦是人體中最微妙的智能器官,它重約1.3千克,體積只有1.4立方米,大約有幾百億個腦細胞。大腦的表面由一層薄膜(平均約2.5mm)所覆蓋,如果把這一層薄膜鋪開,約有一個報紙版面(約2600平方厘米)那么大。這層薄膜叫"大腦皮質",由150億左右的神經細胞構成,是信息接收和發放的龐大機構。而大腦髓質主要是由進出大腦半球和聯絡兩側半球的纖維構成,是信息傳遞的通道。神經細胞是腦最基本結構和功能單位,能把外來的刺激通過膜電位的變化轉變為神經沖動并沿著胞突傳遞,再經過"分析"或"貯存",然后發出調整后的沖動傳到另一個神經細胞或效應細胞。每個腦細胞大約有幾百條腦神經,每條神經上大約有幾百個突觸,每個突觸有幾百到幾千個蛋白質,一個腦細胞的作用大約相當于一臺大型計算機,一個突觸的作用大約相當于計算機的一塊芯片??梢院芎唵蔚赝扑愠鰜?,人的大腦相當于上千億塊或上萬億塊芯片。 人腦可算是是世界上最完善的“天然計算機”。

 

神經元映射的多樣性顛覆認知

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但事實上我們對于大腦的理解還停留在極為初步的階段,我們過去對于大腦處理信息的理解,其實是非常片面和不準確的??茖W家把研究感覺信息處理過程作為揭示腦的奧秘的突破口,其中以視覺系統的研究最為突出。在視知覺的研究中已取得了一系列成果。近期,一項重量級的研究刊登在了《自然》雜志上:來自冷泉港實驗室與瑞士巴塞爾大學的團隊通過對小鼠視覺皮層進行單神經元分析,揭示了一個令人意想不到的信息傳遞模式。

我們對于大腦的理解還停留在極為初步的階段(圖片來源:Pixabay)

 

在經典大腦模型中,我們知道信息會在皮層之間逐層傳遞——從初級視覺皮層(V1)處獲得的信息,會往下進入到功能更為特異的區域,幫助我們識別圖像。為了了解在神經元層面上的信息傳遞模式,研究人員們首先使用了一種叫做“全腦熒光軸突追蹤”的技術,給小鼠視覺皮層里的神經元做上綠色熒光的標記。然后,他們在顯微鏡下仔細地標注出不同神經元所映射的位置。研究人員意外地發現,小鼠初級視覺皮層里的神經元映射極為多樣——單個神經元里的信息,竟然可以傳遞到多個完全不同的區域。這顛覆了單個神經元只能映射到單個區域的假設!

 

單個神經元竟可以映射到多個不同的區域(圖片來源:Zador Lab, CSHL)

 

在第二項實驗中,研究人員們將成百上千個不同神經元用 RNA 分子進行了標記。這些 RNA 的序列都是隨機的,就好像驗證碼一樣,具有唯一性。當這些“RNA 驗證碼”進入到神經元后,會順著軸突來到神經元所映射的區域。

 

神經元映射的多樣性讓人顛覆了固有的認知(圖片來源:Sainsbury Wellcome Centre)

 

“一般人們都認為每個神經元都只映射到一個皮層區域,這是由于我們對大腦的基本結構缺乏認知,”該研究的共同第一作者 Justus M. Kebschull 博士說道:“我們的研究結果與通常的認知截然不同,有望會讓未來的實驗手段出現重大變化?!?/p>

 

大腦神經元信息的讀碼機制

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2018年9月20日,《神經元》期刊在線發表了中科院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心、中科院靈長類神經生物學重點實驗室空間感知課題組,題為《通過結合決策信號的測量與微電流刺激的干擾兩種方法來解析大腦神經元信息的讀碼機制》的研究論文。在該研究工作中,科研人員在清醒獼猴執行空間運動方向辨別任務的同時,記錄了大腦皮層中上顳葉內側皮層、中顳葉皮層和腹頂內皮層三個腦區的神經元反應,通過數學方法分離了這些反應中的兩種成份,即神經元編碼的感知覺信息,和與獼猴認知決策的信號,并通過微電流刺激干擾的技術手段,分別檢測了三個腦區中的神經元信息被下游讀取的優先級別和權重。

 

大腦對空間的感知包括兩個重要階段:一個是編碼階段,即外界環境中的聲、色、光等刺激通過各種感官傳入大腦中樞,激活了處理相應感覺刺激的神經元元件,從而把外界刺激分別編碼在相應神經元的電活動中,例如偏好特定運動方向、空間朝向或者空間特定位置的細胞;二是解碼或讀碼階段,即這些神經元的電信號經過神經系統的層級傳遞,被下游神經元抽提信息,最終轉化為大腦對外界刺激的感知,并在此基礎上形成最終的決策,做出特定的行為。大腦神經元的編碼機制已經有廣泛的研究,但是其第二階段關于解碼的研究工作還相對較少,具體解碼機制也不清楚。其中一個重要的方法是在實驗動物執行認知決策任務的同時,測量相應感覺神經元的電發放波動中哪些是與抉擇相關聯的信號。雖然至今在許多感覺皮層中都已經發現了與決策相關的信號,但是這些信號究竟能否直接反映神經元所編碼的信息被大腦讀取和利用以形成抉擇,還是只是反映了大腦在形成抉擇之后,再反饋給上游神經元的一個下行信號,一直都存在著激烈的爭論。這些爭論目前都只停留在理論層面上,爭論的雙方都缺乏有力的實驗證據支持。

 

在本研究工作中,神經所研究生余雪菲和空間感知課題組組長顧勇研究員訓練獼猴通過眼動來報告它們所感知到的光流在空間中的運動方向,并在獼猴執行任務的同時,記錄了上顳葉內側皮層(MST)、中顳葉皮層(MT)和腹頂內皮層(VIP)三個腦區的神經元胞外電生理活動,通過數學方法分離了兩種成份,一是神經元所編碼的視覺運動方向信息,即感覺成份;二是與獼猴認知決策相關的成份,即決策信號。分析發現,在三個腦區中,感覺信號并不是一直與決策信號保持一致,有時也會出現相反的情況,比如某些神經元偏好編碼向左運動,每次神經元發放增強的時候,應該促使獼猴更多的選擇向左運動(“感覺-決策一致細胞”,圖中左下角細胞),但在行為上獼猴卻是更多地選擇向右運動(“感覺-決策相反細胞”)。利用微電流刺激進一步實驗發現,在MST和MT皮層中通過微電流人為興奮這兩類細胞時,都能顯著地使獼猴的認知決策發生偏差,并且偏差的方向都趨向于被電刺激興奮的神經元所編碼的偏好感覺信息方向,而不是決策信號所反映的方向。微電流刺激“感覺-決策一致細胞”對獼猴認知決策產生的偏差要大于刺激“感覺-決策相反細胞”一倍左右,表明了前者的讀碼權重要大于后者(圖中間粗細箭頭分別表示)。微電流刺激VIP神經元卻不能影響獼猴的認知決策,提示這個腦區的運動信息在當前任務中并沒有被下游腦區所讀取和利用。

 

這些直接實驗結果首次解析了大腦皮層神經元所編碼的感覺信息和獼猴表現的決策相關信息在解碼過程中的作用,為關于決策信號在感知覺皮層中作用的長期爭論提供了重要的實驗證據,表明大腦神經元信息的讀碼權重不僅與特定腦區有關,還與特定腦區中的特定神經元集群有關。此外通過建模,該研究還提出了一定的理論預期,即兩類神經元集群之間存在負相關的噪音,有待于后續實驗進一步驗證。

 

 

圖注:在獼猴大腦皮層中存在兩類細胞,感覺-決策一致性細胞(左例)和感覺-決策相反性細胞(右例)。兩類細胞之間通過特定的相關性噪音結構連接(中間熱圖)。微電流刺激實驗表明兩類細胞都貢獻于獼猴的認知決策,但前者的讀取權重更大,大約是后者的兩倍(粗細箭頭表示)。

 

大腦信息處理機制的復雜程度超乎我們的想象,有許多未解之謎等待我們去研究,可以預見會有更多顛覆固有認知的重磅發現!

 

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