Новое исследование активности почти 60 000 нейронов зрительной системы мыши показывает, как далеко мы должны пойти, чтобы понять, как мозг вычисляет. Опубликовано сегодня в Международном журнале нейронауки природы, анализ водить исследователями на Институте Аллен показывает, что более 90% нейронов в зрительной коре, части мозга, которая обрабатывает наш визуальный мир, не так, как думали ученые … и еще не ясно, как они работают.
«Мы думали, что есть простые принципы, по которым эти нейроны обрабатывать визуальную информацию, и эти принципы во всех учебниках», — сказал Кристоф Кох, к. э. н., главный научный сотрудник и президент Аллен Институт наук о мозге, подразделение Аллен институт, и co-старший автор на изучении вместе с Р. Клэй Рид, доктор медицины, доктор философии, старший следователь по Аллен Институт наук о мозге. «Но теперь мы можем обследовать десятки тысяч клеток на один раз, мы получим более тонким-и гораздо сложнее-картины.»
Почти 60 лет назад два нейрофизиологи Дэвид Хьюбел и Торстен Визел, сделаны революционные открытия о том, как мозг млекопитающих воспринимать визуальный мир вокруг нас. Их работы раскрыли отдельные нейроны, которые включаются только в ответ на весьма конкретные типы изображений.
Хьюбел и Визель сделал свои открытия, показывая простые картинки, вещи, как черная точка на белом фоне-для кошек и обезьян. Общий принцип говорит, что они обнаружили, как вы смотрите на мир вокруг вас, конкретных нейронов в вашем мозгу отвечает за распознавание точные детали в том или ином регионе, что сцена и признание получает более специализированные и дорабатывались в высшие отделы головного мозга.
Скажи, что ты в парке: один набор нейронов сработает быстрого электрического ответа в темной ветке дерева в точном месте в поле вашего зрения. Другие нейроны переключаться на только когда птица летит через ваше поле зрения слева направо. Тогда ваш мозг будет склеивать информацию из «ветви дерева» нейронов и «перемещение птицы» нейроны, чтобы получить полную картину мира вокруг вас, и таким образом, теория идет.
Хьюбел и Визель результаты были отмечены лауреат Нобелевской премии в области физиологии и медицины и легли в основу нейронных сетей, лежащих в основе большинства приложений компьютерного зрения. В последнее десятилетие, с появлением новых неврология методы, позволяющие изучать все больше и больше клеток головного мозга сразу, ученые пришли к понимаю, что это модель того, как наш мозг видит, скорее всего, не все-некоторые нейроны явно не следуют классические модели тюнинга в особенности.
Но это не было ясно, насколько неполной была история.
Вариабельность активности головного мозга
Новое исследование является первым масштабным анализом общедоступных данных из Аллен обсерватории мозга, широкий обзор, который фиксирует активность десятков тысяч нейронов зрительной системы мыши. Исследователи проанализировали деятельность около 60.000 различных нейронов в зрительной части коры, внешней оболочки мозга, как животные видят различных простых изображений, фотографий и коротких видео роликов, в том числе первого выстрела из классического фильма Орсона Уэллса «прикосновение зла» (выбрана потому, что в нем много движения и одним выстрелом без порезов).
1950-х и 60-х годов исследования по неврологии, по необходимости, были похожи на рыболовные экспедиции — исследователи охотились через мозг с помощью одного электрода, пока не нашли нейрон, который надежно откликнулся некий образ. Это похоже на попытки смотреть широкоэкранный фильм через нескольких разбросанных отверстий, отметил Кох-было бы невозможно получить полную картину. Аллен данных Обсерватории мозг не фиксировать активность каждого нейрона в каждом сценарии, но он позволяет исследователям изучать сразу несколько нейронов, в том числе и с более тонких ответы.
Новый анализ, исследователи выяснили, что менее 10% из 60 000 нейронов ответили по образцу учебника. Остальные, примерно две трети показали некоторые достоверный ответ, но их ответы были более специализированы, чем классические модели прогнозирования. В последней трети нейронов показали некоторую активность, но они не загораются надежно на любой из раздражителей в эксперименте — непонятно, что эти нейроны делают, говорят исследователи.
«Это не то, что предыдущие исследования были большой ошибкой, это просто, что эти клетки оказываются очень малая часть всех нейронов в коре головного мозга», — сказала Саския де Фриз, к. э. н., ассистент следователя в Аллен Институт наук о мозге, который возглавлял исследование вместе с Жеромом Лекок, доктор философии, и Michael Buice, к. т. д. «Получается, что мышь зрительной коры намного сложнее и богаче, чем мы думали раньше, что подчеркивает значение этого типа исследования».
Что эти более разнообразны, менее специфичны нейроны существуют не новость. Но это был сюрприз, что они доминируют в визуальной части мозга мыши, говорят исследователи.
Как мозг вычисляет
Это еще не ясно, как эти другие нейроны способствуют обработке визуальной информации. Другие исследовательские группы видели, что локомоции можете доехать нейронной активности в зрительной части мозга, но то ли мышей работает или еще только объясняет небольшое количество изменчивости в видео-ответы, исследователи нашли.
Их следующие шаги, чтобы запустить подобные эксперименты с более естественным фильмов, предлагая нейроны больший набор визуальных элементов, чтобы ответить на. Buice сделал 10-часовой специализированная катушка клипов с любого документальный характер, он мог получить его на руки.
Исследователи также отмечают, что классические модели вышли из исследования кошек и приматов, животных, как развивался, чтобы увидеть их миры пристальное внимание в центре их взгляд, чем у мышей. Вполне возможно, что видение мышь-это просто совершенно другая ситуация, чем у нас. Но есть еще принципы этих исследований, которые могут применяться в наших собственных мозгах, — сказал Buice, ассоциированный исследователь в Аллен институт науки мозга.
«Наша цель не заключалась в изучении видения; нашей целью было изучить, как кора вычисляет. Мы думаем, кора головного мозга имеет строение вычисления, универсальный, подобно тому, как различные типы компьютеров могут запускать одинаковые программы,» Buice сказал. «В конце концов, неважно, какие программы на компьютере выполняется; мы хотим понять, как он работает программы вообще».