暗视力研究显示了大脑如何驱动行为

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密码联系起来。这项工作研究了哺乳动物的大脑如何在弱光条件下解释眼睛的信号。

这项新研究为解决神经科学的两个广泛目标提供了新的思路。第一个目标是读取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吸收这些信号并决定如何做-根据所见预测我们的行为。

解释在漆黑迷宫中发现的神经密码的秘密

人体发送到大脑的所有信息(如我们可以看到，听到，闻到的和感觉到的信息)都通过称为尖峰火车的电脉冲通过神经发送。

大脑如何解码峰值列车的规则手册是未知的，而神经系统经常以许多不同的方式传递相同的信息这一事实使制定它变得更加困难。当同一消息的不同版本到达大脑时，它将一起解释所有这些信号，以决定如何表现。阿尔托大学(Aalto University)和赫尔辛基大学(Helsinki University)的Petri Ala-Laurila教授及其团队现在已经能够将鼠标的行为与源自其眼睛的特定突波训练联系起来。

训练有素的老鼠在漆黑的迷宫中朝着极其微弱的光线游泳，研究小组测量了老鼠发现它的效率。必须使用黑暗，因为它可以将相关的尖峰脉冲串的数量严格地减少到使光线变暗的两个最敏感的尖峰脉冲串：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的尖峰火车数量有限，团队能够隔离哪个单独的尖峰火车控制行为。

在完全黑暗的环境中进行精确的科学实验非常困难，因此该团队开发了独特的最新技术。他们必须设计方法来测量源自单个光子并通过眼睛神经组织(视网膜)的电信号，并将这些信号与迷宫中的鼠标行为关联。突破之一是，该团队可以使用夜视摄像机及其基于深度学习的软件在黑暗中跟踪小鼠，从而能够以前所未有的分辨率预测光子降落在每只小鼠视网膜上的位置。

每次鼠标试图寻找的光都会变暗，以至于在最近几次尝试中，一次只有几个光子进入了鼠标的眼睛。

研究小组比较了两种类型的小鼠。第一组完成任务的小鼠是普通实验室小鼠。第二组已经过基因改造，因此它们最敏感的ON通道发送尖峰序列所需的光比最敏感的OFF通道多10倍。事实证明，这些经过修饰的小鼠在看光时比未经过修饰的表亲差10倍。因此，研究人员能够证明他们的重要发现：通过ON通道的各个峰值列车是鼠标看到光的原因。

与研究知觉的所有神经科学家有关的结果

这一结果是首次有人将具有这种分辨率的视觉行为与来自视网膜的精确尖峰代码相关联。“这就像尝试翻译一种语言一样，” Petri Ala-Laurila教授解释说。“以前我们使用的是短语手册：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，我们越来越接近于理解个体“单词”。”

该结果与从事视觉研究的研究人员高度相关，但也与所有从事感知研究的神经科学家广泛相关，因为该结果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论来对大脑如何处理不同信号进行建模。一种假设是，如果大脑必须在两个相互竞争的代码之间进行选择，那么它将依赖于包含更多信息的信号。对于转基因小鼠视觉上的ON和OFF通道，研究小组展示的ON通道是控制行为的关键-包含的信息较少。当检测到光子时，ON通道会增加向神经发送的神经冲动量，而OFF通道会降低其冲动率，研究人员表明，行为仅取决于以增加的脉冲率编码的消息，而不是减少的脉冲率。这篇论文的第一作者，赫尔辛基大学的博士生Lina Smeds说：“这项发现对于整个神经科学领域来说确实是令人兴奋的，因为它是大脑优先考虑以峰编码的信息而不是没有峰的编码的实验证据。”

芬兰小组的下一步是测量相同的原理是否适用于更多的神经回路和行为范式，并查看它们是否也遵循相同的规则。Ala-Laurila教授将其发现与Rosetta Stone的发现相比，将其适用性进行了比较。“发现Rosetta Stone并不意味着我们可以立即理解古埃及语：但是它为研究人员提供了一种工具，他们在接下来的20年中使用了该工具来最终翻译象形文字。同样，这一发现并不意味着我们可以立即根据感觉神经信号来预测行为，而是意味着我们现在可以开始研究个体信号对大脑的意义。

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