未知的过程解释了大脑区域如何一起工作,或独自一人

我们的大脑有数十亿的神经元分成不同的区域。这些地区常常独自工作,但有时必须同心协力。区域选择性地交流如何?

斯坦福大学研究人员可能解决一个谜题的内部运作大脑,它由数十亿的神经元,组织成许多不同的地区,每个地区主要负责不同的任务。

大脑的不同区域经常独立工作,依靠内部区域的神经元来做他们的工作。在其他时候,然而,两个地区必须合作才能完成手头的任务。

谜语是:允许两个机制大脑区域当他们需要合作交流避免互相干扰时必须独自工作吗?

在今天发表的一篇论文自然神经科学,斯坦福大学电气工程教授领导的研究小组Krishna Shenoy揭示了一个前所未知的过程,有助于大脑的两个区域合作联合行动时需要执行一项任务。

“这是第一批机制在文献中报道让大脑区域不断地处理信息,但是只有他们需要沟通,”马修·t·考夫曼说,谁是谢诺实验室的博士后学者合著的论文。

考夫曼最初设计他的实验研究准备如何帮助大脑做出快速而准确的动作——这是谢诺实验室核心的努力构建假肢设备由大脑控制的。

但是斯坦福大学的研究人员使用了一种新的方法来检查他们的数据,取得了一些结果,不止手臂的运动。

谢诺实验室已经成为分析如何大量神经元函数作为一个单元。当他们应用这些新技术来研究手臂运动,研究人员发现,大脑的不同区域保持结果局部或广播信号招募其他地区。

“我们的神经元总是射击,他们总是连接,”考夫曼解释说,他现在是追求大脑研究在纽约冷泉港实验室。“所以重要的是要控制信号传递从一个领域到另一个。”

实验设计

科学家们得出他们的发现通过研究猴子被训练做精确的手臂运动。猴子们在到达之前,教暂时停顿,从而让他们的大脑片刻之前做好准备。

记住,我们的目标是帮助构建人脑控制假肢。因为大脑中的神经元总是发出信号,工程师必须能够区分信号伴随的命令行动准备。

了解这个工作与猴子的手臂,科学家们在三个地方进行了电子扫描实验:从手臂肌肉,从每个两个已知运动皮质的大脑区域控制手臂的运动。

肌肉读数使科学家们确定什么样的手臂接收信号在预备状态与操作步骤。

大脑阅读是更复杂的。

两个区域控制手臂动作。他们是位于大脑的顶部中心附近,一英寸。

每个两个区域是由超过2000万个神经元。科学家们想了解这两个地区的行为,但是他们不能调查数以百万计的神经元。所以他们把数据从精心挑选的样本个体神经元大约100到200的两个地区。

在实验科学家调查了猴子的大脑数据从两个层面。

在某种程度上,他们认为单个神经元的活动,或快或慢的神经元发射的信号。

在更高的层面,科学家们还发现了许多神经元的活动模式的变化。这是神经科学的一个相对较新的技术,称为人口和维度的分析。它的目标是了解大脑的神经元在整个地区一起工作。

寻找信号

关键的发现出现在了解单个神经元一起工作作为一个人口驱动肌肉。

猴子准备运动但仍然举行了手臂,许多神经元的控制型地区注册的大型活动的变化。

但这准备活动不开运动。为什么?

科学家们意识到,在准备阶段,大脑仔细平衡活动的变化单个神经元在每个地区。虽然一些神经元发射更快,其他人减慢,这样整个人口广播一个常数消息到肌肉。

但目前的行动,人口数据变化可测量的和一致的方式。

通过观察数据,科学家们可以在人口级别关联这些变化的弯曲的肌肉。这种变化在人口水平差异化行动准备。

更广泛的影响

斯坦福大学的研究人员把努力放在数学分析的数据。他们必须确保每一个两个的数量神经元展出的关键muscle-controlling活动变化时(只有当)肌肉弯曲。这是他们开始寻找信号。

考夫曼说,他大约一年到变成了一项为期三年的项目时,他意识到可能会有更广泛的影响这个群体和维度识别的想法。

他展示的一个早期版本的brain-to-muscle结果的一个科学会议上,当一个问题从一个同行使他思考。他发现群体大脑区域和肌肉之间的信号。做了两个大脑区域,每个部分的控制行动,夫妻彼此分开以类似的方式吗?

“我开始分析我的酒店房间,晚上1点。,”考夫曼回忆道。“很快,结果是很明显的。”

“偶然的相互作用基础科学和工程真是一如既往地让我吃惊,“谢诺伊教授说,他也是神经生物学教授(礼貌)和生物工程(子公司),和一个Bio-X教员。“一些最好的想法设计的假体系统来帮助人们麻痹来自基础神经科学研究,这里的情况,和一些最深的科学见解来自于工程测量和医疗系统。”