大脑中的“噪音”编码出惊人的重要信号(一)

脑机接口社区 2022-04-26

The following article is from Life博士 Author Cepelewicz

视觉皮层和其他感觉区域的活动主要由与身体运动相关的信号主导，包括轻微抽搐和痉挛。科学家们现在正在重新思考他们如何研究和理解知觉。

每时每刻，神经元都在"耳语"、"喊叫"、"吐槽"和"唱歌"，脑中充斥着令人眼花缭乱的杂音。然而，其中许多声音似乎根本没有任何意义。

自从60年前科学家首次能够记录单个神经元的活动以来，他们就知道大脑活动是高度可变的，即使在没有明显原因的情况下。动物对重复刺激的神经反应在每次试验中都有相当大的变化，波动的方式几乎是随机的。俄勒冈大学(University of Oregon)神经学家David McCormick说，即使在完全没有刺激的情况下，“你只能记录自发的活动，你会发现它似乎有自己的思想。”

“这导致人们认为大脑在某种程度上要么非常嘈杂，要么使用某种高级统计数据来克服这种噪音，”他说。

但在过去十年中，这种观点已经改变。很明显，这种所谓的随机性和可变性不仅与大脑神经机制的混乱有关，还与唤醒和压力等行为状态有关——这些状态似乎也影响感知和决策。科学家们意识到，所有的噪音都比他们想象的要多。

现在，通过对老鼠的神经活动和行为进行非常详细的分析，研究人员揭示了一个令人惊讶的解释:在整个大脑中，甚至在像视觉皮层这样的低水平感觉区域，神经元编码的信息远远超过了它们直接相关的任务。它们还喋喋不休地谈论动物正在进行的任何其他行为，甚至是琐碎的行为——胡须的抽动，后腿的轻弹。

这些简单的手势不仅仅存在于神经活动中。他们控制着它。

这些发现正在改变科学家对大脑活动的解释，以及他们设计实验来研究大脑活动的方式。

一个优雅但过时的故事

直到大约10年前，大多数神经科学家在实验中使用麻醉动物。加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的神经物理学家David Kleinfeld表示，这种做法使他们在更好地理解大脑方面取得了令人难以置信的进步，但它也“导致了对神经元处理的高度扭曲看法”。这在视觉研究中是一个特别的缺陷，因为所涉及的麻醉水平通常很高，高到足以使那些昏昏沉沉的(或无意识的)动物主观上看到任何东西与真实场景不一致。至少，麻醉剥离了任何可能影响视觉过程的真实框架或背景。

结果，一幅关于视觉如何工作的特定画面出现了，在这幅画面中，来自眼睛的信号通过一系列被动的神经过滤器移动，这些神经滤波器产生了越来越专业化和复杂的环境表征。只有在这个过程的后期，视觉表征才与来自其他感官和大脑其他区域的信息整合在一起。纽约冷泉港实验室的神经科学家Anne Churchland表示：“把初级感觉区看作是一个摄像机，让人对世界上正在发生的事情有一个完全的了解，这是很诱人的。但是，不管这种视觉模型多么优雅，大量的证据证明它过于简单化了。”

大脑巨大的互联性使其充满了反馈回路，让较高的皮层区域与较低的皮层区域对话。经过几十年的研究，研究人员逐渐发现大脑的每个区域都没有标签所显示的那么专业：例如，盲人或视力受损者的视觉皮层可以处理听觉和触觉信息。最近发现是躯体感觉皮层，而不是运动皮层，在运动技能的学习中发挥着重要作用。注意力、期望或动机等更广泛的力量会影响人们的感知。

即使在黑暗中，视觉皮层的神经元也会继续在那“唠叨”个不停(发出声音)。

但在2010年，事情变得更奇怪了。几年前开发的新实验方法，使记录在跑步机上或球上跑步的老鼠的神经元成为可能。加州大学旧金山分校(University of California, San Francisco)的神经科学家Michael Stryker和Cris Niell最初决定使用这些技术来比较睡眠、麻醉小鼠与跑步或静止小鼠的视觉活动。(Niell后来搬到了俄勒冈大学。)

不过，他们很快意识到，还有一个更有趣的比较。Niell 说：“我们想研究清醒状态和麻醉状态的不同之处，但让我们惊讶的是，当动物运动和不运动时，清醒状态的各个方面是多么不同。”他们发现，当老鼠奔跑时，它对视觉刺激的反应会变大：神经元的放电率增加了一倍——这就很让人吃惊了，因为在之前的研究中，即使在人类和猴子完成需要高度视觉注意力的任务时，放电率也没有增加那么多。一旦老鼠停止跑动，这些效果就会逐渐减弱。

Churchland 表示，“这太出乎意料了，因为人们一直认为初级视觉皮层是一个纯粹的感觉区域。”

当时，与之前关于注意力和动机的研究得出的结论一致，Stryker和Niell认为，这一结果可能反映了老鼠的一些一般行为转变，即随着动物开始运动，从非活动模式转变为活动模式。在接下来的几年里，其他实验室的研究证实，一般性唤醒会显著改变神经反应。例如，2015年，McCormick和他的同事报告说，老鼠对一项任务的参与程度可以预测它的表现。同年，耶鲁大学(Yale University)神经科学家Jessica Cardin和她的团队开始研究跑步和唤醒（arousal）对视觉皮层活动的影响。