之前被低估了的大脑区域执行复杂的序列学习

在学习和记忆的背景下,初级视觉皮层是大脑皮层的罗德尼领域:它没有得到尊重。也被称为“V1”,这个大脑区域是第一个地方来自视网膜到达大脑皮层的信息。

许多现有模型的视觉处理了V1静态过滤,只能够检测对象的边缘和被动地传达这一信息高阶视觉领域的努力工作学习,识别、预测和认知。但麻省理工学院的一项新研究带来了新的尊重卑微的视觉皮层:越来越多的证据表明,V1的基础上可以做超过检测边缘,神经学家马克·贝尔和他的博士后Jeffrey Gavornik表明V1的学习是一个复杂类型的网站涉及时空序列。

“我们依靠时空序列学习我们所做的一切,”贝尔说,Picower麻省理工学院神经科学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员,这项研究的资深作者,出现在3月23日的在线版自然神经科学。“这就是我们如何预测接下来会发生什么,这样我们可以相应调整我们的行为。”

序列学习或缺乏thereof-explains为什么晚上开车一个陌生的道路上,稀疏的视觉信息,是一个神经紧张的经验与开车相比更熟悉路线提供视觉线索预测前方的道路。也让棒球击球手击中球旅行太快看到:他们这样做使用投手的视觉线索来预测电弧,轨迹,根据过去的经验和时间。

V1的价值

在过去的十年中,研究人员已经开始蚕食V1的观点作为一个不可变的,被动的大脑区域。研究表明,例如,V1可以改变以应对经验,可塑性的一个特点。“每一个新发现让我们问一个新的问题,之前好像也古怪,”贝尔说。

在新的研究中,一些稀奇古怪的问题是V1能否学会识别序列。为了找到答案,Gavornik设计实验使用的黑白条纹光栅不同orientations-the类型的刺激导致反应在V1神经元。训练序列,他在四个不同的方向显示老鼠光栅组合标记“ABCD”——相同的顺序每天200次,四天。随机控制老鼠看到命令序列。

第五天,Gavornik提出训练序列和随机序列,并测量了V1神经反应。在老鼠见过的序列,序列ABCD,引发了一个更强大的反应比陌生sequences-indicating V1改变了为了应对经验。

熊然后改变的时间序列,发现V1也检测到非常精确的时序交替。是有意义的,他指出:在现实生活中,测序和时机总是耦合,所以大脑必须有一个机制来应对这种配对。

对人类疾病

最“令人兴奋的”研究的成果,熊说,来自实验测试的神经反应,当第二视觉刺激,“B”替换为一个灰色屏幕后第一个刺激,“a”。

“初级视觉皮层回应,如果B在那里,”贝尔说。“录音没有报告动物在看什么,但在动物很期待看到什么。”

“V1成立了一个内存之前,它使用内存来预测接下来会发生什么,之后,“Gavornik补充道。“就好像老鼠[行动]基于之前学的视觉线索。”

但实际上在V1双向可塑性明显出现,还是反应了更高的大脑区域的反馈进行了改变?为了找到答案,Gavornik注射神经递质乙酰胆碱的受体阻断剂,也被认为是重要的在大脑记忆形成。他发现这种治疗预防目标V1地区学习。

“乙酰胆碱的中断信号的第一件事是出错在阿尔茨海默病,和为数不多的批准治疗这种疾病的药物,促进乙酰胆碱的作用,”贝尔说。“我们的研究提出了利用视觉序列学习的可能性作为阿尔茨海默氏症的早期诊断的敏感试验,当减缓疾病的介入治疗有更好的机会。”

时空序列学习在精神分裂症和诵读困难也受损,但这种损害的起源仍然是个谜。“当我们发现在神经和分子水平上,也许我们可以更好地理解发生在人类疾病和寻找新的治疗方法,“Gavornik说。

在更广泛的范围内,V1参与高级认知功能可能对西班牙著名神经科学家(以及未来的诺贝尔奖获得者)圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔,他在1899年推测,尽管显著的异质性,不同区域的皮质仍然遵循一般原则。“我们的研究支持卡哈尔的理论,”贝尔说,“因为我们表明,基本的皮质计算可能从根本上类似更高和更低的地区,即使它们具有不同的功能。”

这个故事是由麻省理工学院新闻(再版web.mit.edu/newsoffice/),一个受欢迎的网站,包括麻省理工学院新闻研究、创新和教学。