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特化的神经元“位置细胞”编码未来道路,神经元集群怎样形成思维

2014-04-03
特化的神经元“位置细胞”编码未来道路

大脑海马区有一种特化的神经元称为“位置细胞”,当动物处在特定环境位置时它会放电。位置细胞的特定序列能为人们的空间经历编码。美国麻省理工大学和波士顿大学通过研究猴子行为,揭示了神经元集群怎样形成思维,并为思想的灵活变化提供支持。

脑神经元“梦”中编码未来道路
2013年07月29日 健康报

科技日报讯 大脑海马区有一种特化的神经元称为“位置细胞”,当动物处在特定环境位置时它会放电。据物理学家组织网7月25日报道,美国麻省理工学院神经学回路遗传研究中心的科学家称,位置细胞放电的顺序事先已被编码好了,它们有一套放电顺序的清单。利用这份清单,位置细胞可以给那些未曾经历过的许多新路线编码。

科学家已经知道,位置细胞的特定序列能为人们的空间经历编码。但有争议的是,这些序列是在经历新事物时形成的,还是事先形成后只在必要时对特殊经历做些调整?新研究显示,在动物睡眠时,“未来”位置细胞的放电顺序要先于经历新环境,动物利用这种已有的神经元放电模式,能迅速在周围环境中为自己导航。

为研究这一机制,该中心的乔治・德拉戈和诺贝尔生理学或医学奖得主利根川进记录了小鼠在不同情景下的位置细胞的活动。首先是一个小时的睡眠过程;然后把它放到陌生道路上,监控它们在新道路上跑动时位置细胞的活动;然后再将这条路加长一段并分出了向右拐的支线。他们发现,小鼠把位置细胞在睡眠中形成的临时活动模式,与它们在更长路段自由探索时位置细胞的空间活动模式联系在了一起,而且位置细胞活动的顺序对这三种路段中每一种的编码都是独特的,都能在睡眠记录中找到匹配模式。

“我们已经在之前的睡眠期间,观察到了同样的序列,这些序列是一种与睡眠临时序列相关的独立集丛。”德拉戈解释说,这一结果表明,在新环境中为特殊道路迅速做出编码,这一过程是通过在一套先已存在的临时序列中做出选择而实现的,而这种先在的临时序列是在睡眠中放电的。也就是说,海马区位置细胞已经预先排好了放电顺序的套路,可以迅速调整,为动物将来可能经历的多种环境道路做出编码。

他们还根据研究数据推测认为,这些位置细胞套路至少能编码15种独特的未来空间经历。此外,人们会设想自己未来在一个复杂环境中会遇到什么道路情况,这一发现还能解释海马体在该过程中的作用。(常丽君)

科学家发现脑波的行为编码规则

2012年11月26日 来源: 健康报
本报讯 神经科学中一个最大难题就是,大脑是怎样在细胞水平为思维――如认知和记忆编码的。已有证据显示,不同的神经元集群代表了不同的信息,但还没人知道这些集群是什么样子或怎样形成的。据物理学家组织网近日报道,最近,美国麻省理工大学和波士顿大学通过研究猴子行为,揭示了神经元集群怎样形成思维,并为思想的灵活变化提供支持。相关论文发表在近日出版的《神经元》杂志上。
该研究由麻省理工大学皮科瓦学院神经科学教授埃尔?米勒领导,他们发现神经元集群是通过彼此同步振动的方式来给某个行为规则编码。研究人员指出,这一发现表明意识的本质属性可能是有节律的。
“当我们交谈时,各种想法在头脑中不断浮现又消失,这些都是各种神经元集群在不断形成,组成一种形式,再改成其他形式。但大脑是怎样做到这一点的还是个谜。”米勒说,这也正是思维本身的真正性质。
研究人员识别出了猴子脑中的两组神经元集群。他们训练这些猴子根据物体不同的颜色和方向作出不同的反应,这要求猴子在认知上有灵活性――在两套不同行为规则之间转换的能力。“事实上,它们所做的是把注意力集中在物体信息的某些方面,而忽略其他方面。它们选择哪种行为取决于环境。”论文领导作者之一、麻省理工大学博士后蒂姆?布施曼说。
当猴子改变任务时,研究人员检测了它们整个前额叶皮质(大部分计划、思考发生在这里)不同区域所产生的脑波,发现神经元电流以节律性振动的形式产生了脑波。当猴子以方向为判断准则时,某些神经元以高频振荡,产生了β频率波动;以颜色为准则时,另一组神经元产生了β波。有些神经元会重叠,多组集群都会用到它们,但每组集群都有自己的组合方式。而且,当以颜色为准则时,曾经的“方向组”神经元之间出现了低频α波。研究人员认为,α波与脑活动抑制有关,能帮助那些“方向组”的神经元安静下来。
“这表明方向准则是占优势的,颜色准则相对较弱。大脑对‘方向组’发出了一阵α波,让它们平息下来,这样猴子才能使用较弱的神经组。”
目前,研究小组正致力于探索大脑在不同规则之间切换,也就是思考的时候,神经元集群之间是怎样协调彼此行为的。有些神经科学家认为,这需要有更深的脑结构起作用,比如丘脑来执行这一协调任务,但还没人能确证这一点。米勒说:“究竟是什么在控制着你的思维?这是认知上的最大秘密。”
该研究也有助于揭示意识的神经基础。米勒说:“意识最基本的特征是它的容量有限,能在头脑里并存的思想非常少。”这些波动解释了为何意识容量是有限的。当一个动物同时思考两件事时,需要两组不同的集群以β频率振动,它们互相干扰了相位。适合一个波动周期的信息数量是有限的,破坏这些振动可能导致神经紊乱,如精神分裂症。研究还显示,精神分裂症患者的β振动减少。(常丽君)



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本栏目主要介绍人类的故事,包括人类的进化、人类的起源、人类学、人类研究、人类基因发现、特化的神经元“位置细胞”编码未来道路等。特别关注有关人与文化方面的研究。

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