神经紧张的神经元产生的错误信号从根本上限制了感知能力

斯坦福大学的研究人员帮助解决了一个长期以来的谜团:尽管单个神经元或神经细胞的行为具有惊人的随机性，但大脑是如何如此准确地处理信息的。

该研究结果于4月2日发表在该杂志的网络版上自然这一发现为认知的极限提供了新的见解，并可能有助于所谓的神经假体的设计——这种装置能使人们重新获得一些失去的感觉能力。

在这项新研究中，研究人员测量了大脑的活动神经元在老鼠的大脑中，啮齿动物在视觉上区分相似但不相同的图像。通过分析每只小鼠同时记录的大约2000个神经元的数据，研究人员发现了一个理论的有力证据，即知觉限制是由神经活动中的“相关噪声”引起的。

从本质上讲，因为神经元是高度相互关联的，当一个人随机地做出错误的反应并错误地识别一张图像时，它会影响其他神经元犯同样的错误。

“你可以把相关噪音想象成一种‘群体思维’，在这种思维中，神经元可以像旅鼠一样，一个不小心跟着另一个犯了错误，”共同资深作者、人文与科学学院(H&S)应用物理学副教授Surya Ganguli说。

值得注意的是,在视觉系统能够去除大约90%的神经元噪声，但剩下的10%限制了我们区分两张看起来非常相似的图像的精细程度。

“通过这项研究，我们帮助解决了一个存在了30多年的谜题，即是什么限制了哺乳动物——以及延伸到人类——在感觉知觉方面，”共同资深作者马克·施尼策尔说，他是H&S的生物学和应用物理学教授，也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。

观察观察者

为了获得每只老鼠数千个神经元的庞大样本集，该研究的主要作者、斯坦福大学应用物理学研究生奥列格·鲁扬采夫(Oleg Rumyantsev)率先建造了一种用于大脑成像的特殊类型的设备。在这个实验设置中，一只老鼠可以在跑步机上原地跑步，而科学家们用光学显微镜观察老鼠体内的神经元初级视觉皮层．这个大脑区域负责整合和处理从眼睛接收到的视觉信息。

研究中的小鼠经过基因工程改造，能够表达传感器蛋白质，这种蛋白质能发出荧光，并报告皮层神经元的活动水平;当神经元被激活时，这些蛋白质会发出更多的光，使研究人员能够推断细胞的活动模式。一组16束激光束扫过老鼠的视觉皮层，照亮了神经元，并启动了荧光过程，使研究人员能够观察皮层神经元对两种不同视觉刺激的反应。所呈现的刺激是由明暗条纹组成的外观相似的图像，从先前的研究中可知，这种图像确实能吸引老鼠的注意力。

根据神经元的反应，研究人员可以测量视觉皮层区分两种刺激的能力。每个刺激产生了不同的神经元反应模式，许多神经元编码刺激1或刺激2。然而，考虑到神经元天生的随机性，保真度远非完美。在一些视觉刺激的呈现中，一些神经元错误地发出了错误的刺激信号。由于相关噪声的群体思维，当一个神经元出错时，来自小鼠视网膜和视觉电路后续部分的共享输入的其他神经元也更有可能犯同样的错误。

只有在斯坦福大学的研究人员能够同时观察到大量神经元的情况下，才有可能发现这种相关噪声的真正影响。Ganguli说:“只有当你达到大约1000个神经元时，相关噪声才会真正显现出来，所以在我们的研究之前，根本不可能看到这种影响。”

事半功倍

然而，就视觉辨别任务而言，大脑在处理大量神经元噪音方面仍然做得非常好。总的来说，大约90%的噪声波动不会影响神经元视觉信号编码的准确性。相反，只有剩下的10%的相关噪声对准确性产生了负面影响，从而限制了大脑的感知能力。施尼策尔说:“相关的噪音确实给大脑皮层的能力设定了一个界限。”

研究结果表明，一旦有了足够多的神经元(或人工的、类似神经元的处理元件)，用更多的神经元来解决感觉辨别问题可能不会显著提高性能。这种见解可以帮助大脑义肢的开发人员学会用更少的钱获得更多的东西，其中最著名的是为听力受损的人植入的人工耳蜗。Ganguli说:“如果你想制造最好的感觉假肢设备，你可能只需要输入1000个类似神经元的元素，因为如果你试图输入更多，你可能不会做得更好。”

未来的实验可以检验它们是否相关噪音斯坦福大学的这项研究揭示的局限性，也限制了视觉以外的其他感官。

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