视觉神经元无法像科学家所想的那样工作–“更加复杂”

艾伦研究所的科学家杰罗姆·勒科克（Jerome LeCoq）看着两光子显微镜，该显微镜用于记录小鼠大脑中细胞的活性。

对鼠标视觉系统中近60,000个神经元活动进行的一项新调查显示，我们必须走多远才能了解大脑的计算方式。由艾伦研究所（Allen Institute）的研究人员领导的分析于2019年12月16日发布在国际期刊《自然神经科学》（Nature Neuroscience）上，该分析表明，视觉皮层（处理我们的视觉世界的大脑部分）中超过90％的神经元不起作用科学家的思维方式-尚不清楚他们的工作方式。

“我们认为存在简单的原理，这些神经元根据这些原理处理视觉信息，并且所有的教科书中都包含这些原理，”艾伦脑科学研究所首席科学家兼总裁Christof Koch博士说。艾伦研究所（Allen Institute）的首席研究员，该研究的共同资深作者以及艾伦脑科学研究所的高级研究员R. Clay Reid博士。“但是现在我们可以一次调查成千上万个细胞，因此我们获得了更加细微但复杂得多的图像。”

大约60年前，两位神经科学家David Hubel和Torsten Wiesel做出了开创性的发现，关于哺乳动物的大脑如何感知我们周围的视觉世界。他们的工作发现了仅在响应非常特殊的图像时才会打开的神经元神经元。

两位合著者Michael Buice和Saskia de Vries曾是用来记录小鼠视觉皮层中细胞活性的2光子显微镜之一。

于贝尔（Hubel）和威塞尔（Wiesel）通过向猫和猴子展示简单的图片（例如黑条或白色背景上的圆点）来发现自己的发现。他们发现的一般原则是，当您观察周围的世界时，大脑中的特定神经元负责识别该场景特定区域中的确切部分，并且识别在该区域的高阶部分变得更加专业化和微调。脑。

假设您在公园里：一组神经元会在您视线内的精确位置激发对黑暗树枝的快速电响应。只有当一只鸟从左向右飞过您的视野时，其他神经元才会打开。然后，您的大脑会将来自“树枝”神经元和“活动鸟”神经元的信息缝合在一起，以获取您周围世界的完整图片，或者说理论如此。

Hubel和Wiesel的发现获得了诺贝尔生理学或医学奖，并且构成了大多数计算机视觉应用基础的神经网络的骨干。在过去的十年中，随着能够同时研究越来越多的脑细胞的新神经科学方法的出现，科学家们逐渐了解到，这种关于我们的大脑视线的模型可能并非故事的全部-有些神经元显然不能做到这一点。遵循调整特定功能的经典模型。

但是，这个故事到底有多不完整还不清楚。

脑活动变异性

这项新研究是对艾伦大脑天文台公开数据的首次大规模分析，这项广泛的调查可以捕获小鼠视觉系统中成千上万个神经元的活动。研究人员分析了皮层视觉部分（大脑的最外层）中近60,000种不同神经元的活动，因为动物看到了不同的简单图像，照片和短片，包括经典奥森的开场照片（嵌入下面）韦尔斯电影《邪恶之触》（之所以选择，是因为它动作灵敏，而且没有剪切，是单拍）。

1950年代和60年代，神经科学研究必不可少，就像钓鱼探险一样。研究人员使用单个电极在大脑中搜寻，直到找到可靠地响应特定图像的神经元。科赫说，这类似于试图通过一些零散的针孔观看宽屏电影，这是不可能获得完整图像的。艾伦大脑天文台的数据集无法捕获每种情况下每个神经元的活动，但是它使研究人员可以一次研究更多的神经元，包括那些反应较微妙的神经元。

研究人员的新分析发现，在遵循教科书模型的6万个神经元中，只有不到10％做出了反应。在其余的中，约三分之二显示了一些可靠的响应，但是它们的响应比经典模型所预测的更专业。研究人员说，最后三分之一的神经元表现出一定的活性，但它们并未可靠地点燃实验中的任何刺激-尚不清楚这些神经元在做什么。

“不是以前的研究都是一个大错误，而是这些细胞只占了皮层中所有神经元的一小部分，”艾伦的助理研究员萨斯基亚·德弗里斯（Saskia de Vries）博士说。脑科学研究所和JérômeLecoq博士以及Michael Buice博士一起领导了这项研究。“事实证明，鼠标的视觉皮层比我们以前认为的要复杂得多，也更丰富，这凸显了进行此类调查的价值。”

这些变化多，特异性低的神经元的存在并不是什么新闻。研究人员说，但是令人惊讶的是它们占据了老鼠大脑的视觉部分。

大脑如何计算

尚不清楚这些其他神经元如何有助于处理视觉信息。研究人员发现，其他研究小组已经发现，运动可以驱动大脑视觉部分的神经元活动，但是无论老鼠在奔跑还是仍然只能解释视觉反应的少量变化。

他们的下一步是对更多自然电影进行类似的实验，从而为神经元提供更多的视觉特征来响应。Buice从他几乎可以接触到的每本自然纪录片中制作了长达10个小时的专业剪辑片段。

研究人员还指出，经典模型来自对猫和灵长类动物的研究，对动物和动物的进化都比对小鼠更加着眼于注视的中心。鼠标视觉可能与我们完全不一样。但是，这些研究仍然有一些原理可能适用于我们自己的大脑，艾伦脑科学研究所副研究员Buice说。

“我们的目标不是学习视野；我们的目标是研究皮质如何计算。我们认为皮质具有通用的计算结构，类似于不同类型的计算机可以运行相同程序的方式。” Buice说。“最后，计算机运行哪种程序都没有关系；我们想了解它如何运行程序。”

参考：Saskia EJ de Vries，Jerome A. Lecoq，Michael A. Buice，Peter A. Groblewski，Gabriel K. Ocker，Michael Oliver，David Feng，Nicholas撰写的“大规模的标准化生理调查揭示了小鼠视觉皮层的功能组织”该隐，彼得·莱多克霍维奇，丹尼尔·米尔曼，凯特·罗尔，玛丽娜·加勒特，汤姆·基南，伦纳德·关，斯特凡·米哈拉斯，肖恩·奥尔森，卡罗尔·汤普森，韦恩·韦克曼，杰克·沃特斯，德里克·威廉姆斯，克里斯·巴伯，内森·贝贝斯克，布兰登·布兰查德，尼古拉斯·鲍尔斯， Shiella D.Caldejon，Linzy Casal，Andrew Cho，Sissy Cross，Chinh Dang，Tim Dolbeare，Melise Edwards，John Galbraith，Nathalie Gaudreault，Terri L.Gilbert，Fiona Griffin，Perry Hargrave，Robert Howard，Lawrence Huang，Sean Jewell，Nika Keller，Ulf Knoblich，Josh D.Larkin，Rachael Larsen，Chris Lau，Eric Lee，Felix Lee，Arielle Leon，Lu Li，Fuhui Long，Jen​​nifer Luviano，Kyla Mace，Thuyanh Nguyen，Jed Perkins，Miranda Robertson，Sam Seid，Eric乳木果，姜洪石，弥敦道·舍奎斯特，克里夫·斯拉ughterbeck，David Sullivan，Ryan Valenza，Casey White，Ali Williford，Daniela M.Witten，Jun壮，曾洪奎，Colin Farrell，Lydia Ng，Amy Bernard，John W.Phillips，R.Clay Reid和Christof Koch，2019年12月16日，自然神经科学。DOI：
10.1038 / s41593-019-0550-9