大脑回路如何在不同的行为之间切换
即使是在日常散步这样的例行任务中，我们的大脑有时也需要换挡，从在城市中穿行切换到躲开一辆自行车，或者切换到穿过街道向朋友打招呼。这些开关构成了一个挑战:大脑回路如何处理这种动态和突然的行为变化?魏茨曼科学研究所关于蝙蝠的一项研究，今天发表在自然，提出了一个不符合关于大脑功能的经典观点的答案。
“最大脑研究项目一次只关注一种类型的行为，所以我们对大脑处理动态变化的行为需求的方式知之甚少，”魏茨曼大学脑科学系的纳丘姆·乌拉诺夫斯基教授说。在这项新研究中，他和他的团队设计了一个模拟现实生活场景的实验装置，在这些场景中，动物或人类会迅速从一种行为切换到另一种行为——例如，从导航切换到躲避捕食者或躲避车祸。研究生Ayelet Sarel博士、Shaked Palgi博士和Dan Blum博士与博士后Johnatan Aljadeff博士合作领导了这项研究。该研究由Ulanovsky和助理科学家Liora Las博士共同监督。
使用微型无线记录设备，研究人员监测了一对老鼠大脑中的神经元蝙蝠在以每秒7米的高速沿着135米长的隧道飞行时，它们必须避免相互碰撞。这相当于一种相对速度——也就是蝙蝠之间的距离拉近的速度，或两只蝙蝠速度的总和——为每秒14米，或大约每小时50公里。
为了检查在这些情况下蝙蝠是否会改变它们的行为模式，变得更专注，研究人员利用了蝙蝠使用声纳或回声定位来感知环境的独特能力。事实上，当蝙蝠发现另一种动物迅速向它们飞来时，它们会迅速提高回声定位点击的频率，这表明它们的注意力水平提高了。随着他们注意力的增加，在神经回路在蝙蝠的海马体中，负责导航和其他功能的主要大脑区域。科学家们通过记录该区域单个神经元(称为位置细胞)的电信号发现了这种转变。
当蝙蝠独自飞行时，它们的定位细胞编码了它们在空间中的位置，但一旦动物发现另一只快速靠近的蝙蝠，海马体中超过一半的神经元(约55%)就会切换模式。科学家们可以看出，神经开关发生了，因为神经元的放电模式发生了变化，这表明它们现在不仅编码了蝙蝠自己的绝对位置，还编码了一个相对度量:与另一只蝙蝠的距离。动物的注意力越高，神经开关越明显。令科学家们惊讶的是，这种转换发生得非常快，大约在100毫秒(十分之一秒)之内。快速靠近的蝙蝠是普通的、熟悉的伙伴还是仅仅是“熟人”对神经编码没有影响，这表明这种开关是为了避免碰撞，与社会行为无关。
“我们的研究表明，我们可能需要修改一些关于大脑回路的基本假设，”Ulanovsky说。他解释说，在过去的一个世纪里，主流的观点是，大脑的每个区域都有自己的功能，不同的行为在大脑的不同部位编码。根据这一经典概念，人们可能会认为，当行为发生开关时，例如从导航到避免碰撞，不同的大脑区域会一个接一个地“亮起”。这项新研究揭示了一幅完全不同的图景:神经编码的快速切换，不仅发生在同一大脑区域，而且发生在同一神经元中。
乌拉诺夫斯基说:“当然，不同大脑区域之间的分工仍然成立。如果视觉皮层例如，如果被损坏，结果是视觉障碍，而不是耳聋或嗅觉丧失。但在我们的新研究中，我们已经表明，大脑比之前认为的更有活力。与大多数假设神经元具有稳定功能的大脑模型相反，我们发现，在对行为需求的快速切换做出反应时，神经元可以非常迅速地切换到执行一种全新的功能。”
大脑的某些部分已经被证明没有思想那么严格地决定——一种被称为“可塑性”的现象——但这种现象发生的时间尺度较慢，反映了大脑突触(神经元之间的连接)中长期的生化变化。相比之下，新发现的开关工作得更快，这可能反映了神经网络活动的快速重组。
未来的研究可能会寻找不同大脑区域的不同神经编码模式之间的切换，不仅是在海马体中，而且在各种各样的行为和情况中。这些研究可能还会问这种转换有多普遍，以及它是否会在衰老的大脑中减缓。
然而，这项新研究提出的另一个引人注目的研究方向是研究大脑是如何防止我们的现实变得碎片化的。乌拉诺夫斯基说:“既然我们知道神经元可以在十分之一秒内改变它们所做的事情，那么找出我们是如何仍然认为世界是平稳和稳定的，将是一件令人着迷的事情。”
