大脑中的海洋:大脑通过脑电波处理信息

多年来,人们一直认为大脑是一台生物计算机,通过传统电路处理电信号信息。数据直接从一个细胞传送到另一个细胞。虽然该模型仍然准确,但是Thomas Albrigh教授和Sergei Gepshtein教授领导的一项新研究表明,大脑还可以通过神经活动电波的相互作用处理信息。这项研究能够帮助科学家更好地理解大脑处理信息的方式。

索尔克视觉中心实验室主任Albright特说:“现在,我们对大脑的工作模式有了新的理解。新发现的模型有助于解释大脑基本状态的变化情况。让我们对注意力、或处理信息的能力产生了新的认识。”其中的一个应用就是解释视错觉现象,例如,下面这张中的球体似乎在移动,或许可以用脑内的干涉电波进行解释。

大脑中的电波海洋

我们知道,大脑在睡眠和清醒的时候都会有电活动波。但是以前的工作模型认为大脑在处理信息(尤其是感官信息,如光的视觉或钟声)的时候只是对一个有一个的j加工脑细胞信号,然后像继电器一样从一个神经元传递到另一个神经元。

然而,这种传统的大脑模型无法解释为何单个感觉细胞在不同条件下对同一事物的反应会如此不同。例如:当一只动物特别警觉的时候,相关的细胞可能会因闪烁的光电而被激活,但如果动物的注意力集中在其他东西上,同样的细胞(在光电同样快速闪烁的时候)却没有被激活。

Gepshtein将这种新的理解比作物理学和化学中的波粒二象性——即,光和物质同时具有粒子和波的特性。在某些情况下,光的行为就像是一个粒子(也称为光子)。在其他情况下,它的行为就像是一个波。粒子被限制在一个特定的位置,波分布在许多位置。这两种观点都可以用来解释光的复杂行为。

萨尔克适应性感觉技术合作实验室主任格普施泰因说:

“传统的脑功能观将大脑活动描述为神经元之间的相互作用。由于每个神经元都局限于特定的位置,这种观点类似于将光描述为粒子。我们发现,在某些情况下,大脑活动更好地描述为波的相互作用,这类似于将光描述为波。理解大脑需要这两种观点。”

动物模型实验

鉴于“粒子”进入大脑的方式,我们不容易解释感觉细胞的一些特性。研究小组在这项新的研究中观察了动物模型中139个神经元的活动,以便更好地了解这些神经元如何协调它们在接受到视觉信息后的反应。他们与拉夫伯勒大学的物理学家Sergey Savel’ev合作,创建了一个数学框架来解释神经元的活动并预测新现象。

他们发现,最好方法是通过微观活动波的相互作用,而不是单个神经元的相互作用来解释神经元的行为特征。研究人员展示了其中的分布模式:相邻的细胞产生了一些活动波,活动波峰和波谷交替,这就像海浪中的波浪一样,而不是以前认为的一道闪光激活了专门的感觉细胞。

当这些波在大脑的不同位置同时产生时,它们不可避免地会相互碰撞。如果两个电活动的波峰相遇,它们会产生更高的活动,而如果一个低活动低谷遇到一个高峰,它可能会抵消它,即我们熟知的波干涉。

Albright说:“当你在户外时,会有大量的的输入信息,并且生成大量不同的脑电波波。大脑对周围世界的净反应(net response)与所有这些波如何相互作用有关。”

为了测试大脑中神经波的数学模型,该团队设计了一个协同视觉实验。研究人员要求两个接受测试的猴子检测屏幕上的一条细线(即,探头所在位置),该线两侧有其他光栅图案(如下图所示)。

图片[1]-大脑中的海洋:大脑通过脑电波处理信息-问答社区-Gepshtein S, Pawar A, Kwon S, Savel’ev S, Albright TD(2021). Spatially distributed computation in cortical circuits. Science Advances ; . DOI: 10.1101/2021.12.13.472322.

研究人员发现,猴子完成这项任务的能力取决于探头的位置。检测探头的能力在某些位置升高,在其他位置降低,这意味着存在模型所预测的空间波。Salk’s视觉神经生物学中心的成员Gepshtein说:“你在每个位置看到这个探头的能力由神经波在该位置的叠加方式决定。”

发现神经波的相互作用方式比解释这种视错觉意义深远得多。研究人员假设,在大脑皮层的每一个部分,而不仅仅是负责分析视觉信息的部分都在生成相同类型的波,而且这些脑电波相互作用。这意味着大脑通过环境或内部情绪中的微妙线索生成的电波可以改变感官输入生成的波动。研究人员说,或许这也可以解释为何大脑对某些事物的反应会日复一日地发生变化。

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