我們的大腦對(duì)某些特定的經(jīng)歷或事件發(fā)生的時(shí)間有著相當(dāng)精確的記錄，這種能力在我們的日常生活中發(fā)揮著重要作用?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，其中的關(guān)鍵在于大腦中一處被稱為海馬的結(jié)構(gòu)。
大腦中的海馬（紅色）。| 圖片來(lái)源：Life Science Databases (LSDB) via Wiki Commons
我們腦中的海馬因?yàn)樾螤钕裾嬲暮ｑR而得名，它在記憶和行為的時(shí)間組織方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這不僅包括我們記憶過(guò)去經(jīng)歷何時(shí)發(fā)生的能力，還延伸到了使用這些來(lái)自過(guò)去的信息去想象或預(yù)測(cè)未來(lái)結(jié)果的能力。
當(dāng)這種記憶能力在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中明顯受損，或者僅僅是隨著衰老而被削弱時(shí)，我們的認(rèn)知能力就會(huì)出現(xiàn)明顯問(wèn)題。但一直以來(lái)，我們對(duì)這些過(guò)程背后的神經(jīng)元機(jī)制還沒(méi)有形成一種清晰的概念。
近日，在一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家結(jié)合嚙齒動(dòng)物的電生理記錄技術(shù)和對(duì)大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)分析，發(fā)現(xiàn)了海馬將記憶組織排序的基本機(jī)制，以及它如何利用這一機(jī)制來(lái)計(jì)劃未來(lái)的行為。他們認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)可能是理解認(rèn)知障礙中記憶失效的關(guān)鍵一步。論文已于近日發(fā)表在《自然通訊》上。
記錄神經(jīng)元的活動(dòng)模式
這個(gè)研究項(xiàng)目歷時(shí)三年多時(shí)間完成，包括實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析階段。研究人員首先訓(xùn)練大鼠進(jìn)行了一系列氣味識(shí)別的測(cè)試，并同時(shí)監(jiān)測(cè)大鼠腦中神經(jīng)元的放電。
他們向大鼠分別“按順序”（InSeq）和“不按順序”（OutSeq）釋放了5種不同的氣味，大鼠需要通過(guò)鼻部的行為反應(yīng)，正確識(shí)別每一種氣味是否按順序出現(xiàn)，從而獲得水獎(jiǎng)勵(lì)。
實(shí)驗(yàn)機(jī)制示意。大鼠通過(guò)鼻部動(dòng)作判斷氣味是否按順序出現(xiàn)，從而獲得獎(jiǎng)勵(lì)。| 圖片來(lái)源：Shahbaba, B. et al. (2022)
與此同時(shí)，研究人員監(jiān)測(cè)著大鼠大腦的活動(dòng)模式，觀察在任何特定時(shí)刻，哪些細(xì)胞在放電，而哪些細(xì)胞沒(méi)有，從而檢測(cè)大腦究竟如何捕捉這些順序關(guān)系。
在大鼠接受測(cè)試的幾分鐘時(shí)間里，神經(jīng)元活動(dòng)的測(cè)量會(huì)以毫秒單位的間隔獲得，它們呈現(xiàn)出了大腦運(yùn)作的動(dòng)態(tài)圖景。研究團(tuán)隊(duì)能夠通過(guò)查看細(xì)胞的“代碼”，也就是細(xì)胞放電的模式，“讀懂”這些大鼠在快速而連貫地想什么。
先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法
對(duì)海馬活動(dòng)的讀取產(chǎn)生了大量原始數(shù)據(jù)。大腦活動(dòng)是以毫秒為單位記錄的，而這些實(shí)驗(yàn)整體要運(yùn)行一個(gè)多小時(shí)，數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)的速度可想而知。神經(jīng)科學(xué)家需要更先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)來(lái)達(dá)到他們的目標(biāo)。因此，從項(xiàng)目開(kāi)始階段，就有數(shù)據(jù)科學(xué)方面的專家共同參與。
當(dāng)神經(jīng)元對(duì)記憶等信息進(jìn)行編碼時(shí)，科學(xué)家可以通過(guò)檢查所有記錄的神經(jīng)元，也就是神經(jīng)元集群的尖峰活動(dòng)模式來(lái)窺探這一過(guò)程。數(shù)據(jù)科學(xué)家在分析中意識(shí)到，他們可以把這些神經(jīng)模式當(dāng)作圖像，從而將深度機(jī)器學(xué)習(xí)的方法應(yīng)用其中。團(tuán)隊(duì)選擇了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析了數(shù)據(jù)，這是一種在面部識(shí)別等圖像處理應(yīng)用中經(jīng)常使用的方法。
研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法分析數(shù)據(jù)。| 圖片來(lái)源：UCI
通過(guò)這種方式，研究人員能夠?qū)ι窠?jīng)元的放電模式進(jìn)行解碼，從而檢索信息。他們發(fā)現(xiàn)，特定的氣味特征也會(huì)在不同時(shí)間點(diǎn)上重新出現(xiàn)，比如，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中的大鼠正在思考未來(lái)，期待尚未發(fā)生的事情時(shí)，一些特征就會(huì)被快速重放。這些結(jié)果證明，海馬網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本功能正是編碼、保存并預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)的順序。
跨學(xué)科合作的案例
科學(xué)家認(rèn)為，這項(xiàng)研究中開(kāi)發(fā)的工具和方法可以應(yīng)用在廣泛的問(wèn)題上，并擴(kuò)展到對(duì)其他大腦區(qū)域的研究。這對(duì)我們認(rèn)識(shí)阿爾茨海默病和其他形式的失智或許大有助益。
同時(shí)，他們提到，這是一個(gè)跨學(xué)科融合的絕佳案例?，F(xiàn)在，不同領(lǐng)域的科學(xué)家有機(jī)會(huì)提出一些過(guò)去無(wú)法研究的真正重要的科學(xué)問(wèn)題，并以一種前所未有的方式從根本上思考科學(xué)方法。
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