2019年9月10日

在球场黑暗中研究视觉闪耀着哺乳动物的脑驱动行为

学习音调黑暗的视觉闪耀着哺乳动物的大脑驱动行为 — 免费游泳鼠标由IR相机跟踪。老鼠已经发现了光线，并在迷宫的出口朝向迷宫。深度学习训练的模型将分析鼠标头和瞳孔的位置，然后在眼睛中的光子从光的光子着陆。这将允许科学家测量来自特定视网膜神经元的信号。信贷：Petri Ala-Laurila / Aalto大学

芬兰的新工作能够将哺乳动物行为链接到其潜在的神经码。该工作检测了哺乳动物的大脑如何在低光水平下从眼睛中解释信号。

这项新研究为解决神经科学的两个主要目标开辟了一条道路。第一个目标是阅读神经信号并解释它们对我们的大脑意味着什么，第二个目标是弄清楚我们的大脑如何接收这些信号并决定如何做——根据我们所看到的预测我们的行为。

解释在漆黑迷宫中发现的神经密码的秘密

身体发送给大脑的所有信息 - 就像我们所看到的，听到，嗅觉和感觉 - 通过神经送入电气冲动叫斯派克火车。

大脑如何解码尖峰列车的规则书是未知的，并且通过神经系统经常以许多不同的方式运送相同的信息，使其更加困难。当相同消息的不同版本到达大脑时，它将所有这些信号解释在一起以决定如何表现。Petri Ala-Laurila教授及其在Aalto大学和赫尔辛基大学的团队中，现在已经能够将鼠标中的行为联系起来于源自眼中的特定尖峰列车。

在一个漆黑的迷宫中，老鼠被训练游向极其微弱的光，研究小组测量了老鼠找到光线的效率。必须使用黑暗，因为它极大地减少了相关脉冲序列的数量，使之成为对昏暗光线最敏感的两个:一个叫ON通道，一个叫OFF通道。通过创造一种情境，即在特定输入中发送有限数量的spike train，团队便能够分离出哪个spike train能够控制行为。

非常困难在完全黑暗中进行精确的科学实验，因此该团队开发了独特的最先进技术的曲目。它们必须设计通过眼睛的神经组织 - 视网膜的神经组织来测量源自单个光子的电信号 - 并将这些信号连接到迷宫中的小鼠行为。其中一个突破是，球队可以使用夜视摄像机和他们的深度学习软件在黑暗中跟踪小鼠，以便他们能够以前所未有的分辨率预测，其中光子在每只小鼠的视网膜上降落。

老鼠试图寻找的光线每次都变得更暗，以至于在最后的几次尝试中，每次只有几个光子进入老鼠的眼睛。

该团队比较了两种小鼠。这项任务的第一组小鼠是普通实验室小鼠。第二组经过遗传修改，使其对信道最敏感的需要10倍的光线来发送比最敏感的频道最敏感的火车。在看到光线比未经修正的表兄弟看到光线时，这些修饰的小鼠结果差10倍。因此，研究人员能够证明他们的重要发现：经过渠道的个人尖峰列车负责鼠标看到光明。

结果与所有研究知觉的神经科学家有关

这是第一次有人将视觉行为与这种分辨率与来自视网膜的精确尖峰编码联系起来。“这就像试图翻译一种语言，”彼得里·阿拉-劳里拉教授解释说。“以前我们用的是常用语手册:我们知道整句话的意思，但不知道单个单词的意思。现在，我们可以将由个体神经冲动组成的精确代码与行为联系起来，我们离理解个体的‘词汇’越来越近了。”

结果与研究愿景的研究人员高度相关，而且与所有正在研究感知的神经科学家相比，由于令人惊讶的方面，所以令人惊讶的是翻倒以前持有神经内科的信仰。70年来，研究人员一直在使用信息理论来模拟大脑如何处理不同的信号。其中一个假设是，如果大脑必须在两个竞争的代码之间进行选择，它将依靠包含更多信息的信号。在遗传修饰小鼠中的视觉中的on和偏移通道的情况下，该团队显示的频道是控制行为的关键 - 包含较少的信息。当ON通道增加它在检测到光子时向大脑发送的神经冲动量增加，而关闭信道降低其脉冲率，并且研究人员表明行为仅依赖于增加脉冲率而不是降低的脉冲率。“这一发现对于所有神经科学都非常令人兴奋，因为它的实验证明是在钉子中编码的信息，而不是在没有尖刺的情况下，Lina Smeds说，博士学位说：赫尔辛基大学的学生是本文的第一个作者。

芬兰语组的下一步骤是测量相同的原则是否适用于更多神经电路和行为范式，并查看它们是否还遵循相同的规则。Ala-Laurila教授在适用性方面比较了Rosetta石头的发现。“当罗萨蒂石被发现时，它并不意味着我们可以立即了解古埃及人：但它给了研究人员，他们在接下来的2年里使用了一个工具，最终翻译象形文字。同样，这个发现并不意味着我们可以立即从感觉中预测行为神经信号，但这意味着我们现在可以开始研究个体信号对人类意味着什么脑”。