多年来,大脑被认为是一个生物计算机处理信息通过传统电路,即数据拉链直接从一个细胞到另一个地方。尽管这种模式仍然是准确的,索尔克教授领导的一个新的研究托马斯·奥尔布赖特和员工的科学家谢尔盖Gepshtein表明,还有一个非常不同的方式,大脑解析信息:通过一波又一波的神经活动的相互作用。研究结果,发表在科学的进步2022年4月22日,帮助研究人员更好地理解大脑如何处理信息。

“我们现在有一个新的理解大脑的计算机器是如何工作的,”奥尔布赖特说,康拉德·t·Prebys椅子在视觉研究和沙克的视觉中心实验室主任。”模型解释了大脑如何潜在的状态可以改变,影响了人们的注意力,关注,或处理信息的能力。”

研究人员早就知道,一波又一波的电活动在大脑中存在,在睡眠和觉醒。但潜在的理论大脑如何处理information-particularly感官信息,像看到一盏灯或bell-have围绕信息的声音被专门的脑细胞,然后从一个神经元传递到下一个像一个继电器。

然而,大脑的这个传统模式无法解释一个感官细胞如何反应不同的同一件事在不同的条件下。细胞,例如,可能会激活响应快速的闪光当一个动物特别警觉,但仍将活跃在回应相同的光如果动物的注意力集中在别的东西。

Gepshtein比作新理解波粒二象性物理和化学,知道光和物质的粒子和波的性质。在某些情况下,光的行为好象它是粒子(也称为一个光子)。在其他情况下,它的行为就好像它是一个波。粒子是局限于一个特定的位置和分布在许多地方。这两种观点都需要光来解释其复杂的行为。

“大脑功能的传统观点描述了大脑活动作为神经元的相互作用。因为每个神经元是局限于一个特定的位置,这种观点是类似于光作为一个粒子的描述,“Gepshtein说,沙克自适应感知技术合作实验室的主任。“我们发现,在某些情况下,大脑活动是更好的描述为波的相互作用,这是类似于描述光的波。这两种观点都需要理解大脑。”

一些感觉细胞性质观察过去并不容易解释给大脑的“粒子”的方法。在新的研究中,研究小组观察了139个神经元的活动在一个动物模型更好地理解细胞如何协调他们对视觉信息的反应。与Sergey Saveliev拉夫堡大学的物理学家,他们创造了一个数学框架理解神经元的活动,并预测新现象。

最好的方法解释的神经元是如何表现,他们发现,通过微观相互作用波的活动而不是个体神经元的相互作用。而不是一个闪光激活专业感觉细胞,研究人员展示了它创建分布式模式:一波又一波的活动在许多邻近的细胞,与交替的波峰和波谷activation-like海浪。

当这些波是同时生成在不同的地方在大脑中,他们不可避免地撞到另一个。如果两个活动高峰相遇时,它们产生更高的活动,而如果一个槽的低活动达到顶峰,它可能取消。这个过程称为波干扰。

“当你在这个世界,有很多很多的输入生成所有这些不同的电波,”奥尔布赖特说。“大脑的净反应你周围的世界与所有这些波是如何交互的。”

测试他们的数学模型神经波发生在大脑、视觉附带的团队设计了一个实验。两个人被要求检测微弱的细线(“探针”)坐落在屏幕上和在其他光模式。如何执行这个任务的人,研究人员发现,取决于探测器在哪里。检测探头的能力提升在一些地点和沮丧在其他地点,形成了一个空间波的预测模型。

“你看到这个探针在每一个位置的能力将取决于神经波重叠在这个位置,”Gepshtein说,他也是一个成员索尔克的神经生物学中心的愿景。“我们已经提出了大脑如何调和。”

发现神经波相互作用是如何比解释更深远的光学错觉。研究人员假设相同的波被生成并相互作用在每一大脑皮层的一部分,而不仅仅是部分负责视觉信息的分析。这意味着大脑本身产生的波浪,在环境或内部情绪微妙的线索,可以改变波浪产生的感官输入。

这可能解释大脑的反应可以从每天的转变,研究人员说。

参考:Gepshtein年代,帕瓦尔,Kwon年代,”主席Savel年代,奥尔布赖特道明。空间分布式计算在皮质电路。科学的进步。8 (16):eabl5865。doi:10.1126 / sciadv.abl5865

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