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来自芬兰的新工作已经能够将哺乳动物的行为与其潜在的神经代码联系起来。这项工作研究了哺乳动物的大脑如何在低光照水平下解释来自眼睛的信号。

这项新研究为解决神经科学的两大目标奠定了基础。第一个目标是阅读神经信号并解释它们对我们大脑的意义,第二个目标是弄清楚我们的大脑如何获取这些信号并决定做什么 - 根据我们所看到的情况预测我们的行为方式。

解释在漆黑迷宫中发现的神经代码的秘密

身体发送到大脑的所有信息 - 就像我们可以看到,听到,闻到和感觉到的 - 被称为尖峰列车的电子冲动通过神经传递。

关于大脑如何解码尖峰列车的规则手册是未知的,并且由于神经系统经常以许多不同的方式携带相同的信息,因此更难以解决。当同一消息的不同版本到达大脑时,它会将所有这些信号一起解释,以决定如何表现。Petri Ala-Laurila教授及其在阿尔托大学和赫尔辛基大学的团队现在能够将鼠标中的行为与源自其眼睛的特定穗列车联系起来。

经过训练的老鼠在黑暗迷宫中向极微弱的光线游泳,团队测量了老鼠找到它的效果。必须使用黑暗,因为它会严重减少两个最敏感的尖峰列车的相关尖峰列车的数量:一个称为ON通道,另一个称为OFF通道。通过创建一个场景,其中针对特定输入发送了有限数量的尖峰列车,该团队能够隔离哪个单独的尖峰列车控制行为。

在完全黑暗中进行精确的科学实验是非常困难的,因此团队开发了一套独特的最先进技术。他们必须设计方法来测量来自单个光子的电信号通过眼睛的神经组织 - 视网膜 - 并将这些信号与迷宫中的鼠标行为联系起来。其中一项突破是,该团队可以使用夜视摄像头及其基于深度学习的软件在黑暗中跟踪老鼠,因此他们能够以前所未有的分辨率预测光子落在每只鼠标的视网膜上。

鼠标试图找到的光线每次变得更暗,以至于在最后几次尝试中,一次只有几个光子进入鼠标的眼睛。

该团队比较了两种类型的老鼠。完成任务的第一组小鼠是普通的实验室小鼠。第二组经过基因改造,使其最敏感的ON通道需要的光线比最敏感的OFF通道多10倍。这些经过修饰的老鼠在看到光线时比未修饰的表兄弟要差10倍。因此,研究人员能够证明他们的重要发现:通过ON通道的单个尖峰列车负责鼠标看到光。

结果与所有研究感知的神经科学家相关

这个结果是第一次有人将视觉行为与此分辨率链接到来自视网膜的精确尖峰码。“这就像尝试翻译一种语言一样,”Petri Ala-Laurila教授解释说。“以前我们使用的是一个短语集:我们知道整个句子的含义,但不知道单个单词的含义。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,我们越来越接近理解个别'单词'。”

结果与致力于视觉的研究人员高度相关,但也与所有致力于感知的神经科学家广泛相关,因为结果的令人惊讶的方面推翻了先前对神经病学的信念。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代码之间进行选择,它将依赖于包含更多信息的信号。在转基因小鼠的视觉中的ON和OFF通道的情况下,ON通道 - 团队显示的是控制行为的关键 - 包含较少的信息。ON通道增加了它在检测到光子时发送到大脑的神经冲动量,而OFF通道降低了其脉冲率,并且研究人员表明,行为仅依赖于以增加的脉冲率而不是降低的脉冲率编码的消息。赫尔辛基大学博士生Lina Smeds是该论文的第一作者,他说:“这一发现对所有神经科学来说都是令人兴奋的,因为它是大脑优先考虑尖峰信息编码的实验证明,而不是没有尖峰。”

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