微小的高科技调查揭示信息流经大脑如何

艾伦研究所的研究人员的一项最新研究收集和分析数据集最大的单一神经元的电活动收集的原则我们如何感知周围的视觉世界。这项研究,周三发表在《华尔街日报》自然,抓住了数以百计的瞬间电信号火当一个动物是解释它看到什么。

你的大脑过程在瞬间就把你周围的世界,但是有很多闪电般的步骤之间的光击中你的视网膜,届时你会意识到在你面前的是什么。人类有三个十几个不同的大脑区域负责理解视觉世界,科学家们仍然不知道的很多细节这一过程是如何工作的。

“在一个非常高的层面,我们想知道为什么我们需要有多个视觉区域说:“在我们的大脑首先Josh Siegle博士,助理研究员艾伦研究所MindScope程序。”这些领域如何专业,然后他们如何相互通信和同步他们的活动有效地指导你的交互与世界?”

在新的研究中,Siegle和其他MindScope研究者Xiaoxuan贾博士,资深科学家;肖恩·奥尔森博士,副研究员;首席科学家和创造者科赫博士带领的一组研究人员确定一些细节。

艾伦研究所团队转向了鼠标的lima-bean-sized大脑仍然是令人难以置信的复杂。鼠标的愿景是不一样的我们,他们比我们更加依赖其他感官——但是神经科学家相信他们仍然可以从中学到许多关于感觉处理的一般原则研究这些动物。

使用Neuropixels,高分辨率比人的头发细硅探测器读出活动的神经元,研究小组建立了一个公共数据集电峰值大约100000个神经元的老鼠的大脑。

这不仅是数据集的最大集合神经元的电活动在世界上,但是每个实验从数以百计的在数据库中捕获的信息大脑细胞在八个不同的大脑视觉区域的。同时阅读电活动在大脑的不同区域允许科学家在实时跟踪视觉信号他们从老鼠的眼睛传递到更高的大脑区域。

研究人员发现,视觉信息传播在“层次结构”通过大脑,在较低的区域表示简单的视觉概念,如光明与黑暗,而神经元层次结构的顶部是捕获更复杂的思想,就像物体的形状。

“从历史上看,人们已经研究了一个大脑区域,但是大脑不协调行为和认知只是一个方面,”奥尔森说。“我们学习,大脑运作通过区域之间的相互作用和信号从一个领域到另一个极端,但是技术上的限制阻止了我们从过去深入研究这个。我们真的需要这个数据集提供的集成视图开始要理解这是如何工作的。”

跟踪大脑的交通模式

Neuropixels研究建立了先前的艾伦研究所研究,绘制了老鼠大脑的接线图,包的物理连接大脑的不同区域之间的轴突。艾伦老鼠大脑连通性图集的数据,这项研究跟踪内成千上万的连接和丘脑和皮层之间,最外层的哺乳动物大脑负责更高层次的功能,包括处理视觉世界。

如果连接数据就像大脑的路线图,Neuropixels数据集类似于跟踪交通模式在大脑中,科赫说。即使信号在大脑在一瞬间从一个地区到另一个,探针敏感到足以感知非常轻微的时间延迟,让科学家们画一个实时的路线地图视觉信息在大脑中。通过对比Neuropixels数据连接的数据,科学家们可以得到一个清晰的信息如何沿着神经道路。

“就好像我们试图地图城市如何通过看汽车的运动,”科赫说。“如果我们看到一辆车在西雅图,然后几小时后我们看到同样的车在斯波坎然后很久以后我们看到汽车在明尼阿波利斯,然后我们有一个想法,这个想法从西雅图到明尼阿波利斯的连接必须通过斯波坎的路上。”

像在一个国家的道路,连接大脑地图并不是一个简单的结构。有许多不同,平行的两个脑区之间的连接,甚至是两个相邻的地区。就像我们的州际高速公路系统,主干道,和较小的道路,大脑具有较强和弱连接。仅仅知道物理地图并不足以预测视觉信息的途径。

研究人员能够将信号映射到一个层次结构使用他们观察的时间延迟不同大脑区域之间的神经活动。他们还使用了其他措施确认等级,包括视野每个神经元响应的大小。细胞低层次的调到小动物的视觉世界的一部分,而更高层次的神经元反应更大区域的视觉空间,大概是因为这些细胞整合整个图片的更多信息在动物面前。

一个关键的过程

科学家捕捉神经活动当动物被观看不同的照片和简单的图像,和老鼠训练来应对一个图像变化在他们的眼前,舔小海龙卷。他们看到信息在大脑在这两种情况下都在相同的分层路径。当老鼠训练对视觉的变化,他们的视觉神经元也改变了他们的活动,这些细胞的层次结构显示更大的变化。

科学家们甚至可以告诉从观察神经活动是否一个特定的动物已经成功地检测到图像的变化。

如果研究人员发现所有lights-giving动物没有视觉input-many相同的视觉神经元仍然解雇,虽然缓慢,但失去了信息流的顺序。这可能意味着需要层次结构来处理视觉信息,但其他用途的动物使用相同的细胞在不同的电路。

虽然这些类型的详细的实验是不可能的在人类,研究一般大脑活动有见过类似的等级和大脑活动的变化的部分我们的大脑负责声音和视觉处理。神经科学家认为这种类型的分层处理中使用大脑理解我们周围的世界的许多方面,不仅是我们所看到的。

“我们知道我们的能力来创建一致的表示对象的生存我们看到是一个至关重要的过程。我们的大脑实际上指定约30 - 50%的大脑皮层视觉处理,”贾说。“我们的研究表明,这种分层处理视觉信息也是有意义的或重要的动物”。

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