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Current Biology:對(duì)哺乳動(dòng)物大腦工作方式的普遍認(rèn)識(shí)發(fā)起挑戰(zhàn)!
文章來(lái)源于生物谷,獲授權(quán)轉(zhuǎn)載
新研究對(duì)哺乳動(dòng)物大腦工作方式的普遍認(rèn)識(shí)發(fā)起了挑戰(zhàn)!

人的智慧,源于大腦。記憶、語(yǔ)言和情緒等復(fù)雜的生理現(xiàn)象均源自于大腦的一系列電生理活動(dòng),作為意識(shí)的載體,大腦使得人類在感知世界的同時(shí),對(duì)外界的諸事諸物做出即時(shí)性的判斷和反應(yīng)。

毫無(wú)疑問(wèn),大腦是人體最復(fù)雜的器官之一。直至現(xiàn)在,人類對(duì)自身大腦的認(rèn)知仍極為有限,以至于常常出現(xiàn)新研究將之前觀點(diǎn)推翻的現(xiàn)象。

近日,英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)的研究人員在國(guó)際知名學(xué)術(shù)雜志Current Biology上發(fā)表題為:《Sequence Learning Induces Selectivity to Multiple Task Parameters in Mouse Somatosensory Cortex》的研究論文。

這項(xiàng)新研究表明,大腦感覺(jué)皮層中的神經(jīng)元不僅能探測(cè)到感覺(jué)信息,實(shí)際上還能破譯其中的含義并調(diào)節(jié)身體的反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)理解感知學(xué)習(xí)的工作原理,以及人類如何在腦機(jī)接口(如假肢)的環(huán)境下解釋大腦活動(dòng)具有重要意義。


本研究的通訊作者、神經(jīng)生物學(xué)教授Miguel Maravall及其領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)用小鼠來(lái)了解當(dāng)我們學(xué)習(xí)一首新歌或一段演講時(shí),我們的大腦會(huì)發(fā)生什么。對(duì)此,Maravall解釋道:“在這種情況下,讓我們學(xué)習(xí)和識(shí)別歌曲的不僅僅是單個(gè)音符,而是它們的順序、節(jié)奏或模式。

研究人員對(duì)小鼠進(jìn)行訓(xùn)練——讓它們識(shí)別一種傳遞給胡須的感覺(jué)序列,對(duì)人類來(lái)說(shuō),這種感覺(jué)就相當(dāng)于振動(dòng)我們的指尖。當(dāng)老鼠通過(guò)舔食物來(lái)獲得獎(jiǎng)勵(lì)的同時(shí),它們會(huì)報(bào)告自己的學(xué)習(xí)順序。

小鼠基本觸覺(jué)序列的鑒別

大腦皮層是哺乳動(dòng)物大腦的重要組成部分,機(jī)體正是通過(guò)這里來(lái)理解新事物,并將它們與行為和記憶聯(lián)系起來(lái)。研究團(tuán)隊(duì)推斷,在老鼠大腦皮層的感覺(jué)部位,可能有一組神經(jīng)元處理這些振動(dòng)序列。當(dāng)目標(biāo)序列出現(xiàn)時(shí),其他地方可能會(huì)有另一組神經(jīng)元促使動(dòng)物做出反應(yīng)——這將是動(dòng)物報(bào)告序列的基礎(chǔ)。

“然而,我們發(fā)現(xiàn)了更有趣的東西。即使在大腦皮層最敏感的部分,我們也觀察到神經(jīng)元直接將學(xué)習(xí)的序列與動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。一些神經(jīng)元甚至?xí)?duì)動(dòng)物是否得到預(yù)期獎(jiǎng)勵(lì)做出反應(yīng)?!盡aravall說(shuō)道。

這些發(fā)現(xiàn)表明,感覺(jué)皮層并不像之前認(rèn)為的那樣只有感覺(jué)功能。如今,這項(xiàng)來(lái)自蘇塞克斯大學(xué)的新研究卻表明,感覺(jué)皮層也能對(duì)我們周?chē)拇碳ぷ龀龇磻?yīng),感覺(jué)神經(jīng)元也參與處理刺激的意義,并計(jì)劃隨后的行為反應(yīng)。

經(jīng)過(guò)良好訓(xùn)練的S1bf神經(jīng)元反應(yīng)反映了異質(zhì)性的任務(wù)變量和學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)

這意味著,學(xué)習(xí)識(shí)別一個(gè)特定的模式或序列并處理隨之而來(lái)的行為和結(jié)果——無(wú)論是一首新歌還是一段演講,都涉及到整個(gè)大腦皮層的神經(jīng)元。這從根本上挑戰(zhàn)了關(guān)于哺乳動(dòng)物大腦如何工作的基本觀點(diǎn)。

對(duì)此,Maravall表示:“我們可以將這項(xiàng)研究與我們?cè)谑找魴C(jī)里聽(tīng)到一首已經(jīng)聽(tīng)過(guò)很多遍的歌曲的情況進(jìn)行比較。在短短幾個(gè)音符內(nèi),我們可能會(huì)決定把音量調(diào)大或關(guān)掉收音機(jī)。

在訓(xùn)練良好和無(wú)經(jīng)驗(yàn)小鼠中,視覺(jué)識(shí)別的S1bf層2/3神經(jīng)元對(duì)感覺(jué)和任務(wù)變量反應(yīng)的比例

然而,這一過(guò)程在教科書(shū)上會(huì)這樣表述:首先,大腦中發(fā)生的第一件事是感覺(jué)部分的神經(jīng)元處理并識(shí)別歌曲。然后,這一信息被傳遞到更高的決策中心。緊接著,決策中心會(huì)做出一個(gè)決定——要么轉(zhuǎn)動(dòng)音量旋鈕,要么按下電源按鈕。最后這些信息會(huì)被發(fā)送到運(yùn)動(dòng)指揮中心,從而促使該動(dòng)作的完成。

表面上看,教科書(shū)式的大腦處理過(guò)程似乎更為完整可靠,但實(shí)際上并不一定是正確的。如今,Maravall等的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了這一過(guò)程:他們看到各種各樣的信息傳遞到感覺(jué)皮層,那里的神經(jīng)元甚至能夠預(yù)測(cè)動(dòng)物的反應(yīng),并報(bào)告其結(jié)果——似乎完全不需要決策中心的參與。

在訓(xùn)練過(guò)程中神經(jīng)元選擇性對(duì)序列識(shí)別和相關(guān)動(dòng)作的進(jìn)展

更令人興奮的是,多個(gè)實(shí)驗(yàn)室都得出了類似的結(jié)果,大腦感覺(jué)皮層的神經(jīng)元所起的作用比我們最初想象的要多得多。這樣看來(lái),動(dòng)物感知世界的能力與指導(dǎo)行為所需的感覺(jué)能力是分開(kāi)的。

“如果感覺(jué)與任務(wù)本身聯(lián)系在一起,這就意味著此前我們對(duì)大腦皮層功能的認(rèn)知是有偏差的。”Maravall說(shuō)道。未來(lái),Maravall博士和他的團(tuán)隊(duì)將著眼于這些非感覺(jué)神經(jīng)元是如何連接到大腦的其他部分的,以及它們是否是驅(qū)動(dòng)身體反應(yīng)的關(guān)鍵。

大腦的奧秘是無(wú)窮盡的,人類也在不斷積極探索。2020年9月25日,馬克斯·普朗克人類認(rèn)知和腦科學(xué)研究所的研究人員在Science Advances上發(fā)表題為:《haping brain structure: Genetic and phylogenetic axes of macroscale organization of cortical thickness》的研究論文。


這項(xiàng)研究成功破譯了人類大腦的兩個(gè)組織軸。研究人員表示,大腦的每個(gè)區(qū)域都有自己特定的位置,如今他們發(fā)現(xiàn)大腦區(qū)域的基因組成主要沿著這兩條軸,從后到前,從下到上,并且這些軸主要是由遺傳和進(jìn)化形成的。

這也在一定程度上解釋了一個(gè)進(jìn)化難題——為什么人類與黑猩猩等靈長(zhǎng)類動(dòng)物的基因序列相似度如此之高,但在智力水平上卻是天差地別。進(jìn)化和遺傳以意想不到的方式不斷塑造人類的大腦,讓人類擁有強(qiáng)大的智慧!

【參考文獻(xiàn)】
[1] Sharpee TO, Destexhe A, Kawato M, et al. 25th Annual Computational Neuroscience Meeting: CNS-2016. BMC Neurosci. 2016;17 Suppl 1(Suppl 1):54. Published 2016 Aug 18. doi:10.1186/s12868-016-0283-6
[2] University of Sussex. 'What happens in the sensory cortex when learning and recognizing patterns.' ScienceDaily. ScienceDaily, 12 November 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201112112838.htm>.
[3] Valk, Sofie L et al. “Shaping brain structure: Genetic and phylogenetic axes of macroscale organization of cortical thickness.” Science advances vol. 6,39 eabb3417. 25 Sep. 2020, doi:10.1126/sciadv.abb3417


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