新发现!哈佛大学科学家破译大脑状态的控制开关
2019-12-22 天下

青年报·青春上海记者 顾金华

为什么有时候我们可以抑制住各种诱惑,保持神经高度集中的工作或学习状态,而另一些时候却会不自觉地刷刷手机、聊聊微信,无法集中注意力?这实际上是两种冲突的选择在拔河。

一直以来,大脑如何进行内部状态转换和控制的问题是科学届的未解之谜。最近,哈佛大学国际脑科学研究团队在大脑内部状态控制机制上取得突破性进展。通过破解觅食过程中斑马鱼大脑全部神经元的活动,精确锁定一组5-羟色胺神经元枢纽是大脑内在状态的关键调节者。这一科学发现发表在最新一期《nature》杂志上。

幼虫斑马鱼的大脑中有10万个神经元,其边缘系统与人类非常相似,并具有薄而透明的皮肤,可以使用显微镜分析其全脑的神经活动。这就是促使科学家将斑马鱼作为模型生物来破解这一科学谜团的原因之一。

据文章共同一作李孟博士介绍:“在跟踪显微镜中,研究团队首次在斑马鱼无约束自由活动状态下,记录大脑全部神经元的神经活动,并利用深度学习的方法智能分析斑马鱼的行为,将斑马鱼的行为和神经元活动精准对应,发现斑马鱼大脑深处的5-羟色胺神经元的枢纽是斑马鱼动机状态的主要调节器。”当这个神经枢纽的活动处于高位时,斑马鱼变成注意力集中且高效的狩猎者;而当这个神经枢纽的活动降低时,斑马鱼从捕食状态切换到探索状态,从专注的狩猎者变成多动的漫游者。研究人员认为斑马鱼之所以做出这种改变,是因为它平衡了两个相互竞争的优先事项:进食和探索。

此外,当人们想到神经元如何相互交互时,会假设一个神经元选择性地与其他神经元建立连接。而通过观察斑马鱼全脑功能图谱,研究人员发现当这些神经元处于激发状态时,大脑中几乎所有其他神经元都在监听。它们不是采用一个信息通道与另一信息通道进行狭义通信的方式,而是将发出的信号传播到整个大脑,进而调控整个大脑的工作状态。这种广播形式的调控机制,可能为下一代通用类脑人工智能系统提供一个全新的思路。

这一脑科学领域的里程碑式工作,完成了脑科学家们一直以来梦寐以求的研究:以单个神经元分辨率对自然活动状态下动物全脑脑活动进行记录,并同步使用深度学习精准分析动物行为学。该研究成果将会对大脑破译、人工智能及类脑智能的相关研究产生深远影响。

青年报·青春上海记者 顾金华

编辑:梁文静

来源:青春上海News—24小时青年报

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