▲科学家正在观察一台用于记录小鼠脑细胞活动的双光子显微镜。图片来源：艾伦研究所
北京时间12月17日，发表在《Nature Neuroscience》上一项针对小鼠视觉系统中近6万个神经元活动的新研究显示，要想了解大脑如何计算，如何处理感觉信息来引导行为，我们还有很长的路要走。
这项由美国艾伦脑科学研究所领导的分析显示，处理视觉世界的大脑视觉皮层中有超过90%的神经元并不是按照科学家们想象的那样工作的，它们究竟是如何工作的还是个迷。
艾伦脑科学研究所首席科学家兼所长Christof Koch博士说：“我们认为，这些神经元处理视觉信息的原理很简单，这些原理在所有教科书中都有。但现在我们同时检测了成千上万个细胞，得到了更加细微且复杂得多的图像。”他与艾伦脑科学研究所高级研究员R.Clay Reid博士为该研究的共同通讯作者。
1959年，两位神经学家David Hubel与Torsten Wisel对哺乳动物大脑如何感知周围视觉世界进行的实验，成为神经科学领域的突破和一个真正的转折点。他们那项研究揭示了只对特定类型图像做出反应的单个神经元。
▲David Hubel 和 Torsten Wiesel
这两位科学家通过向猫和猴子展示简单的图片（比如白色背景上的黑条或黑点）来完成他们的壮举。他们揭示的基本原理是，当你观察周围的世界时，大脑中的特定神经元负责识别该场景中特定区域的确切部分，而这种识别在大脑的高阶部分变得更加专业和精细。
假设你在公园里：一组神经元会对你视线内一根深色的树枝产生快速的电反应。只有当鸟儿从左或右飞过你的视野时，其他神经元才会激活。然后，你的大脑会将“树枝”神经元与“飞鸟”神经元的信息拼接起来，从而获得你周围世界的完整图像，至少理论上是这样的。
Hubel与Wisel的发现得到了诺贝尔生理学或医学奖的认可，并形成了支撑大多数计算视觉应用的神经网络基础。在过去的十年里，随着新的神经科学方法的出现，越来越多的脑细胞可以同时被研究。科学家们才逐渐了解到，这种关于我们大脑的模型似乎并非全部，即一些神经元显然没有遵循调节到特定功能的经典模型。
但目前还不清楚这个模型到底有多不完整。
大脑活动的可变性
这项新的研究是对艾伦大脑天文台（Allen Brain Observatory，ABO）公开数据的首次大规模分析，ABO是一项对总共243只清醒小鼠视觉皮层大规模的生理调查，捕捉它们视觉系统中数万个神经元的活动。研究人员分析了当动物看到不同简单图像、照片和短视频片段时，大脑最外层皮层视觉部分近6万个不同神经元的活动。视频部分包括Orson Welle经典电影《Touch Of Evil》中的开场镜头。之所以选择它，是因为它有连续的运动，而且是一张没有切割的单镜头。
▲图片来源：《Nature Neuroscience》
20世纪50年代和60年代的神经科学研究就像是垂钓探险一样。那时，研究人员用一根电极在大脑中搜寻，直到他们发现了对特定图像做出可靠反应的神经元。Koch说：“这就像试图通过几个分散的针孔观看宽荧幕电影一样，不可能获得完整的画面。艾伦大脑天文台的数据集并没有捕捉到每种情况下每个神经元的活动，但它允许研究人员一次研究更多的神经元，包括那些具有更细微反应的神经元。”
研究人员的新分析发现，在6万个神经元中，只有不到10%的神经元遵循教科书模型做出了反应。在其余的部分中，大约三分之二表现出了一些可靠的反应，但显然超越了经典模型的预测。最后三分之一的神经元显示出一些活动，但它们对实验中的任何刺激都没有稳定的反应，目前还不清楚这些神经元的作用。
研究共同作者、Saskia De Vries博士说：“这并不是说之前的研究满盘皆错，只是这些细胞只占大脑皮层所有神经元的很小一部分。我们的研究结果表明，小鼠的视觉皮层比我们之前想象的要复杂与丰富得多，这也强调了做这种研究的价值。”
▲合著者Michael Buice和Saskia de Vries用双光子显微镜记录小鼠视觉皮层细胞的活动。图片来源：艾伦研究所
这些多变且特异性低的神经元的存在并不是什么新鲜事。但研究人员说，令人惊讶的是，它们主导了小鼠大脑的视觉部分。
大脑是如何计算的？
目前还不清楚这些其他神经元是如何处理视觉信息的。此前有研究团队已经发现，运动可以驱动大脑视觉部分的神经元活动，但无论小鼠是否在跑步，都只能解释视觉反应的少量变化。
他们的下一步研究将用更多的自然纪录片进行类似的实验，从而为神经元提供更多的视觉特征来响应。
研究人员还指出，经典的模型来自对猫和灵长类动物的研究，这两种动物在进化过程中都比小鼠更能看清自己的世界。有可能小鼠的视觉系统与我们的完全不同，但这些研究中仍然有一些原则可能适用于我们自己的大脑。
研究合著者Michael Buice说：“我们的目标不是研究视觉，而是研究大脑皮层是如何计算的。我们认为大脑皮层有一种通用的计算结构，类似于不同类型的计算机可以运行相同程序的方式。归根结底，计算机运行的是哪种程序并不重要，我们想了解它到底是如何运行程序的。”
编辑：顾军
责任编辑：樊丽萍
来源：brainnews
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