脑细胞使用电话技巧来报告他们看到的东西

“我举了多少根手指?”

对于猴子视觉皮层中的视觉感应脑细胞，答案取决于数字是彼此相邻还是部分重叠。

杜克大学的一项新研究发现，单个神经元传递关于两个独立物体的视觉信息是通过交替信号来实现的。然而，当两个物体重叠时，脑细胞会将它们检测为单个实体。

这些发现有助于扩大人们对大脑如何理解其复杂而繁忙的世界的了解。大多数关于感官处理的研究，无论是声音还是视觉，都通过测试脑细胞对单一音调或图像的反应来设定标准太低。

“有很多理由让实验室的事情变得简单，”杜克脑科学研究所的教员、新报告的资深作者 Jennifer Groh 博士说。“但这意味着我们在了解大脑如何一次编码不止一件事方面并没有走得太远。”

理解复杂的感官信息在某种程度上是 Groh 的专长。2018 年，她的实验室首次证明单个听觉脑细胞通过使用一种叫做多路复用的方法有效地传输有关两种不同声音的信息。

“多路复用是一种来自工程学的想法，”Groh 说。“当你有一根电线和很多信号时，你可以交换信号，有点像电话线。”

电信技术的工作原理是仅使用一根电线在一个电话和另一个电话的中继信息之间快速来回切换。Groh 说，在大脑中，这种转换可能发生得要慢得多，但总体思路是相似的。

杜克大学神经生物学研究生、该论文的第一作者 Na Young Jun 在 Groh 作为神经科学新兵训练营课程的一部分的一次讲座中首次了解了听觉神经元如何完成这种电话接线技巧。

“我认为多路复用的概念很吸引人，”Jun 说。“我想和 Groh 博士多谈谈，所以我去了她的办公室，最后在她的实验室工作。”

在 Groh 实验室工作期间，Jun 从 Groh 的合作者 Marlene Cohen 博士那里得到了一个有价值的数据集，她是芝加哥大学神经生物学教授，也是该论文的合著者。Cohen 的团队收集了猕猴在屏幕上观看图片时的大脑活动数据，以研究注意力。

“从猴子身上收集数据非常困难，”Jun 说。“一个研究生可能需要七年的时间才能收集到几千兆字节的数据。”

事实证明，共享数据集与 Jun 随后分析的脑细胞一样有效。

在 Groh 的合作者 Surya Tokdar 博士、杜克大学统计科学教授和该论文的合著者的帮助下，Jun 发现视觉皮层中的一部分细胞被认为是大脑中的“高阶”大脑区域。视觉处理路径，在跨试验的两个不同图像的报告之间切换。

“假设你有一个视觉皮层神经元，”Jun 说。“当它只看到一个背包时，它每秒发射 20 次。当它只看到一个咖啡杯时，它每秒发射五次。但是当同一个神经元看到背包和咖啡杯并排时，它会交替发射每秒 20 次，每秒 5 次。”

然而，如果两个物体重叠，比如将咖啡杯放在背包前面，每次重叠的物体出现时，脑细胞都会以相同的方式放电。这表明神经元将重叠的图像视为单个对象而不是单独的对象。

虽然现实世界比两个并排的物体要忙碌得多，但这项工作开始推动感官研究，以更好地反映大脑的日常感知。

“考虑到大脑如何保存关于两种视觉刺激的信息，与理解自然场景中无数细节的编码方式仍然相去甚远，”Jun 和她的合著者在他们的报告中写道。“仍然需要更多的研究来阐明我们的大脑如何在实验室的稀薄环境之外运作。”

该研究发表在eLife杂志上。

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