《Nature》独立于经验,我们大脑组织事物顺序的新框架


  发布日期: 2023年12月22日

  来源:Nature

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《Nature》独立于经验,我们大脑组织事物顺序的新框架

挪威NTNU Kavli系统神经科学研究所的科学家们发现了一种大脑活动模式,这种模式可以作为构建连续体验的模板。

Edvard Moser教授说:“我相信我们已经找到了大脑构建序列的原型之一。”他将这种活动模式描述为“一种基本算法,它是大脑固有的,独立于经验之外。”

这一突破性发现发表在《Nature》杂志上。

将元素组织成序列的能力是一项基本的生物功能,对我们的生存至关重要。没有它,我们将无法沟通,记录时间,找到我们的方式,甚至记住我们正在做的事情。世界将不再以有意义的体验呈现给我们,因为每一个事件都将被分割成一系列不稳定的随机事件。NTNU的研究人员在大脑中发现了一种严格的序列模式,这为我们如何将经历组织成时间顺序提供了新的见解。

记忆的顺序性

你听说过回忆被描述成快照吗?Moser教授认为,这不是一个非常忠实的描述。“把记忆想象成视频更有帮助,”他说。“你在这个世界上的所有经历都会随着时间的推移而延长,一件事发生了,然后是另一件事,然后是第三件事。”

你的大脑有一种非凡的能力,可以在精神上捕捉和组织选定的事件,按照它们发生的时间顺序,并将它们联系在一起,形成有意义的经历。这种序列构建活动发生在你在情境中互动的时间尺度上。当你回忆起这段记忆时,在你的脑海中重现事件序列的过程也需要时间。

Moser问道:“大脑是如何在飞行中产生并存储所有这些独特而漫长的信息序列的?那里一定存在一种序列形成的基本机制。”

“在神经科学中,研究大脑活动的时间尺度通常是毫秒,而我们许多最重要的大脑功能发生的时间尺度是几十秒到几分钟,这与神经科学中的时间尺度不匹配,”Kavli研究小组组长、该论文的第一作者Soledad Gonzalo Cogno说,他进一步阐述了这项研究背后的动机。

该团队着手确定序列形成的基本机制,因为序列形成发生在非常缓慢的时间尺度上,就像我们的大多数大脑功能一样。

为了揭示神经元如何在缓慢的时间尺度上协调我们的许多大脑功能,Kavli的研究人员专注于内侧内嗅皮层(MEC),这是一个大脑区域,支持依赖于序列形成的大脑功能,如导航和情景记忆,在时间上展开得非常缓慢。

大脑在任何时候都要处理大量的外部世界信息,这对这种追求构成了挑战。任何来自结构化和循环神经算法的基线信号都有可能淹没在传入经验的“噪音”中。

为了解决这个问题,研究人员创造了一个几乎没有感官输入的实验环境。他们让一只鼠在完全黑暗的环境中奔跑,没有任务要完成,也没有奖励要获得。在实验过程中,鼠可以随心所欲地奔跑或休息。

与此同时,研究人员记录了鼠大脑内嗅皮层在其神经细胞群保持这种轻柔待机状态时发生的情况。

将信息分类成序列的基本大脑机制

“这就是我们的发现,”Soledad Gonzalo Cogno指着她面前的一个斑马条纹人物说。

这个图案是由成千上万个点聚集在一起组成的。每个点都是一个神经信号。我们可以看到神经活动沿着y轴从下到上穿过所有的细胞,随着时间沿着x轴前进。聚类告诉我们,这些活动是协调的,就像在网络中运行的波一样,就像交响乐中的节奏。

这些序列是超慢的,这意味着波在神经网络中传播需要两分钟,然后整个过程再次重复,有时持续的时间和测试的时间一样长,长达一个小时。

这张图显示了数百个小鼠内嗅皮层神经元以极慢的频率振荡,时间窗口从几十秒到几分钟不等。更让研究人员兴奋的是,当每个细胞振荡时,细胞也将自己组织成序列,细胞A在细胞B之前放电,细胞B在细胞C之前放电,以此类推,直到它们完成一个完整的循环,回到细胞A,在那里循环重复。

这种高度结构化的活动与我们编入记忆的事件的时间尺度重叠,并为构建形成情景记忆基础的顺序结构提供了完美的模板。

这些协调活动的波并不是直接从脑组织的一端传播到另一端。相反,电波沿着细胞之间的突触连接传播,这些突触连接在网络中相互交流。细胞可以与远处的其他细胞和最近的邻居进行通信。解剖缠结使得在没有首先从光栅图中定位细胞的情况下,很难用肉眼看到协调的活动。

斑马条纹,螺旋形和环形

斑马条纹光栅图显示了一段时间内整个神经网络的慢波活动。“如果你把栅格图折叠成一个管子,这样图形的顶部和底部就会重叠,你会看到对角线的条纹连接起来形成一个连贯的螺旋,”Moser解释说。“螺旋形代表了一段时间内的网络活动。”

如果你把螺旋旋转90度,你会看到一个环。网络中的所有细胞都有自己设定的发射时间,分布在这个环的表面上。信号在返回到同一个细胞之前穿过整个环形结构。

“这个环是重复序列形式的协调模式的标志,这就是我们在MEC中发现的,”Soledad Gonzalo Cogno说。“其他大脑区域有不同的协调模式。这个发现最让我兴奋的是,这些序列可能为理解大脑开辟新的途径。”“接下来的发现可能会挑战我们对整个大脑协调的看法。如此不同的细胞似乎仍然在不同的时间尺度上协调并一起工作。”

你的大脑可能在你经历这个世界上的任何事情之前就已经配备了这个环。它是通过进化获得的,可能在我们的基因中被指定。


                       

 

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