研究发现，视觉神经元并不像科学家想象的那样工作

一项对小鼠视觉系统中近6万个神经元活动的新调查揭示了我们要了解大脑是如何计算的还有很长的路要走。今天发表在国际杂志上自然神经科学在美国，由艾伦研究所(Allen Institute)的研究人员领导的分析显示，在视觉皮层(大脑中处理视觉世界的部分)中，超过90%的神经元并不像科学家思考的那样工作，而且目前还不清楚它们是如何工作的。

“我们认为，根据这些简单的原则神经元处理视觉信息，这些原则在所有的教科书中都有，”克里斯多夫·科赫博士说，他是艾伦研究所下属的艾伦脑科学研究所的首席科学家和主席，也是该研究的联合资深作者，与艾伦脑科学研究所的高级研究员R. Clay Reid博士一起。“但现在我们可以一次调查成千上万的细胞，我们得到了一个更微妙、更复杂的画面。”

大约60年前，两位神经科学家大卫·胡贝尔和托斯滕·威塞尔对哺乳动物的大脑如何感知我们周围的视觉世界做出了开创性的发现。他们的研究发现，单个神经元只在对非常特定的图像做出反应时才会启动。

Hubel和Wiesel通过向猫和猴子展示一些简单的图片，比如白色背景上的黑色条或点，得出了他们的发现。他们发现的一般原理是，当你观察周围的世界时，你大脑中的特定神经元大脑负责识别场景中特定区域的确切部分，并且识别在大脑的高阶部分变得更加专业化和微调。

假设你在公园里:一组神经元会对你视线内精确位置上的一根深色树枝发出快速的电反应。其他神经元只有在鸟从左向右飞过你的视野时才会打开。然后，你的大脑将“树枝”神经元和“移动的鸟”神经元的信息拼接在一起，从而获得你周围世界的完整图景，或者理论是这样的。

Hubel和Wiesel的发现得到了诺贝尔生理学或医学奖的认可，并形成了大多数计算机视觉应用的神经网络的主干。在过去的十年里，随着新的神经科学方法的出现，科学家们能够同时研究越来越多的脑细胞，科学家们已经了解到，我们大脑如何看待事物的模型可能并不是全部——一些神经元显然没有遵循调整到特定特征的经典模型。

但目前还不清楚这个故事到底有多不完整。

大脑活动变异性

这项新研究是对艾伦大脑天文台(Allen Brain Observatory)公开数据的首次大规模分析，该天文台是一项广泛的调查，捕捉了小鼠数万个神经元的活动视觉系统．当动物看到不同的简单图像、照片和短视频剪辑时，研究人员分析了大脑皮层(大脑的最外层)视觉部分近6万个不同神经元的活动第一枪选自奥逊·威尔斯的经典电影《天注定》(选它是因为它有很多动作，而且是一个没有剪辑的单镜头)。

20世纪50年代和60年代的神经科学研究，就像钓鱼探险一样，研究人员用一个电极在大脑中搜寻，直到找到一个对特定图像有可靠反应的神经元。科赫说，这类似于试图通过几个分散的针孔观看宽银幕电影——不可能获得完整的画面。艾伦大脑天文台的数据集并不能捕捉每个场景下每个神经元的活动，但它允许研究人员一次研究更多的神经元，包括那些有更微妙反应的神经元。

研究人员的新分析发现，在6万个神经元中，只有不到10%的神经元对教科书模型做出了反应。在剩下的人中，大约三分之二的人给出了一些可靠的回答，但他们的回答比经典模型预测的更专业。最后三分之一的神经元显示出一些活动，但它们对实验中的任何刺激都没有可靠地激活——研究人员说，目前还不清楚这些神经元在做什么。

艾伦脑科学研究所的助理研究员Saskia de Vries博士说:“这并不是说之前的研究都是一个大错误，只是这些细胞原来只是皮层中所有神经元的很小一部分。”他与Jérôme Lecoq博士和Michael Buice博士一起领导了这项研究。原来，老鼠视觉皮层比我们之前想象的要复杂和丰富得多，这强调了做这种类型调查的价值。”

这些更可变、更不特定的神经元的存在并不是新闻。但研究人员说，令人惊讶的是，它们主宰了老鼠大脑的视觉部分。

大脑是如何计算的

目前还不清楚这些其他神经元是如何参与加工的视觉信息．其他研究小组已经发现，运动可以驱动大脑视觉部分的神经元活动，但研究人员发现，老鼠是否在跑步，只能解释视觉反应的一小部分变化。

他们的下一步是对更自然的电影进行类似的实验，为神经元提供更多的视觉特征来做出反应。布伊斯制作了一个10小时的专业卷轴，几乎是他能得到的每一部自然纪录片的剪辑。

研究人员还指出，经典模型来自于对猫和灵长类动物的研究，这两种动物在进化过程中都能比老鼠更清晰地看到它们的世界。有可能老鼠的视觉和我们的完全不同。但艾伦脑科学研究所的副研究员布伊斯说，这些研究仍然有一些原则可能适用于我们自己的大脑。

“我们的目标不是研究视觉;我们的目标是研究大脑皮层是如何计算的。我们认为大脑皮层有一种通用的计算结构，类似于不同类型的计算机运行相同程序的方式，”布伊斯说。“最后，电脑运行的是什么样的程序并不重要;我们想了解它是如何运行程序的。”