新的研究发现,集体神经活动的形状像一个油炸圈饼的表面

高级脑功能结果编制的成千上万的神经元在神经网络之间的活动。对于网状细胞,这些神经网络对话导致我们理解的位置,我们的导航能力,我们的心理地图。

“这一发现提供了第一批深入了解大脑细胞共同运作,作为一个社会。它提供了一个前所未有的了解网络的神经元产生多大的属性无法推断出从单个细胞的活动。这些集体代码的线索都是大脑的高级认知功能,“神经科学教授爱德华•莫泽说,挪威科技大学的副主任(巴克)Kavli系统神经科学研究所。

大脑如何组织信息的理论

在神经科学,理论和实验结合在一起像地图和地形。没有地图,你会迷失在未知。没有神经的风景,你只是猜测。

最有前途的一个神经科学理论在过去的五十年预测神经网络在大脑中如何组织信息。它提出神经网络自组织,活动不是由感官或肌肉运动的输入,但细胞的特定方式网络是相关的。

这一理论被称为连续吸引子网络(可以),它从未被测试。测试需要分析同时记录活动从成百上千的大脑细胞在相同的网络,而动物是积极执行不同的任务。这不是要等到现在。

四个关键的进步使得这一研究成为可能。

巴克Kavli系统神经科学研究所联合开发和发现的两个四个进步。第一种是最近开发的超级工具称为Neuropixels,它提供了研究人员获得神经活动从几百美元到几千细胞,而第二个是最了解高级脑功能,即网络网状细胞生成的内嗅皮层大脑的GPS。

挪威科技大学数学科学发展的第三个组件,先进的拓扑方法。

最后但并非最不重要的是最有前途的理论,开创了ELSC耶路撒冷希伯来大学的。

看看地图上的风景

“我们想要解决的问题网格细胞动力学是一个不可避免的动物产品的体验空间,或者网格细胞的六角形图案源自内在的设计神经网络本身,”理查德•加德纳说卡夫系统神经科学研究所博士后,co-first该论文的作者之一。

研究人员设置三个实验条件,把网络的内在行为测试。

在第一个实验中,大鼠自由探索开放的格局。在这种环境下,单个细胞通常产生完美的六角网格模式。在第二个实验中,老鼠沿着车轮形状的迷宫。这些类型的线性路径已知扭曲网格模式。在第三个实验中,大鼠建立在快速眼动睡眠阶段,在慢波睡眠阶段。REM是已知快速眼球运动和睡眠阶段的梦想。在慢波睡眠阶段,大脑没有接收肌肉运动的或从身体或环境的感官输入,也不模拟等感官体验在快速眼动睡眠中发生在梦想。

最后一个实验将是真正的考验的理论,因为它会支持或反对一个最强的预测可以理论的网格单元。所有实验都通过使用Neuropixels探针从数以百计的网格中提取原始大脑数据相同细胞神经网络。

我们能理解景观通过地图吗?

“在实验中,神经编码的老鼠的运动神经活动的单位时间。记录网络中的每个网格单元给出1或0的单位时间的价值,取决于细胞活跃。在分析过程中,数学家然后使用拓扑和几何方法解码数据从细胞活性和回到行为,”尼尔斯·a .先生说,台湾国立师范大学的数学教授。

数学模型的维数降低大脑数据从几百到三维空间,这是人类的眼睛更容易处理,在数据和模型计算的数量洞我们称之为数据的形状。,以前丑怪的巨大的云的网格单元数据,表面环面出现了。

“我们发现的共同活动网格单元网络居住和沿着曲面的表面,一个油炸圈饼。清醒大鼠的活动在甜甜圈移动同步与动物的运动在房间里。在任何给定的时间,我们可以通过坐标描述老鼠的网络活动,甜甜圈,”爱德华•莫泽说。

“我惊讶于模型的解码结果如何。我们从单个细胞融合本地数据代表全球的行为。对我来说,这是一个很少比环本身更深的水平。这是第一个真正有趣的应用程序拓扑方法实验神经数据,我所看到的,”老板说。

在所有的实验,得到了同样的结果

结果也被复制,无论实验。无论单细胞网格数据看起来好或差,无论什么老鼠是否自由探索,沿着线性迷宫,或睡在REM阶段或在慢波睡眠阶段联合活动的人口网格细胞坚定地沿着一个油炸圈饼的表面。结果支持所带来的强烈预测大脑动力学理论。

“这是观察网格单元的刚度显著表征在不同条件下,包括两种不同的睡眠阶段,这个结果是远离明显或预期,“说推断Burak,物理学副教授ELSC,耶路撒冷的希伯来大学。

“这是一件事找到环的动物当他们移动框,然后我们睡觉时,我无法相信它。找到环在睡眠中我最惊讶的,但后已经惊讶maze-the迷宫应该破坏规律但环面。总是一个环面,即使我们认为它可能不是,”本杰明Dunn说,巴克的数学科学系的副教授。

“令我惊讶的是这个小说的方法是如何工作的以及如何明确的结果。我认为主要是因为非常明确的活动结构的网格单元网络,由于强烈的约束网格细胞。与理论结果符合得很好网格细胞提供一个非常特殊的作用提供一个基本的度量空间,”加德纳说。

“直到最近,拓扑领域的主要理论的兴趣,但这一发现表明,工具是理解我们的大脑的一个重要组成部分,“co-first作者Erik赫曼森说,博士生在挪威科技大学数学科学部门。

“这项研究首先,教我们一些关于什么神经网络在大脑中可以做。十多年了,像我这样的理论家发展理论试图解释网格细胞活性。由于本研究我们现在可以确认主要由这些理论的预测。这是非常令人兴奋的对我个人来说,“Burak说。

自发的网格单元活动将我们的外部世界

的意义是什么看到网格细胞的网络活动总是表面展开一个甜甜圈?

“只有一个理论模型在神经科学预测网格细胞的活动应该像不管动物的状态,可以理论。这些结果告诉我们一些关于网络的神经元连接的方式。甜甜圈存在于细胞之间的连接,”爱德华•莫泽说。

可以用类似的功能理论提出,网状细胞,细胞活跃在空间,在附近的地方是强连通,增强的方式。细胞活性在遥远的地点是弱连接相互抑制。从这两个前提:(1)如果这个理论是正确的,唯一的办法六角网格单元模式从单一细胞如果联合网络活动沿着一个油炸圈饼的表面。(2)活动结构是由于大脑的内在连接规则。因此,甜甜圈,不管动物或动物正在做什么,是否使用网格细胞在其外部环境。

结果表明,网格单元内部创建模式创建的网格细胞之间的连接,而不是来自感官的输入系统,从外面。

这怎么能自组织的、高度结构化、约束和健壮的动态生成独立于环境和内嗅皮层内走出预配置本身,是足够灵活以支持导航吗?

“每当老鼠正在积极探索和导航,其感觉系统协调一致的内部网格单元模式,环面地图,与外部环境。网格在同步模式和环境的需要;网格模式必须稳定固定地标景观。这是一个工作内嗅皮层和更大的大脑区域要做的。这是发生在导航时感觉输入。如果没有感觉输入,地图就会漂移。然而,内部网格细胞之间的关系仍将是相同的,所以当我们把它放到一个环面联合网络活动仍将移动表面上的甜甜圈,虽然活动不再是对齐的老鼠的导航在外部环境中,”爱德华•莫泽说。

“这是绝对有可能的活动继续代表鼠是想象,甚至是做梦。你可以想象从地标感官输入,你真的认为他们一样的地方。但是我们没有办法告诉,因为我们不知道什么是老鼠思考和做梦,”他说。

一个内部调查高级认知功能的方法

加德纳说,网格细胞的理想方面的研究帮助明确大甜甜圈的模式。

“这是一个理想的系统介绍这些方法的使用领域。网格细胞显著为拥有这样一个强大的限制他们的活动,这种特别的形状。网格单元的电路是一个非常不寻常的高阶的神经系统,我们有一个好的理解如何解释细胞的活动“神经代码”。它是非常特别的。这真是一个美丽的系统,”加德纳说。

“这项研究展示了一种新方法做神经科学,我认为这是会看到越来越多的使用随着时间的推移。方法从networkwide中提取动力学的神经活动作为分析的起点,看看那里有什么。发现结构固有细胞群本身的数据,”他说。

“我们现在可以探索大脑的其他部分,我们希望使用类似的把戏,但底层功能可能更抽象,如情绪或社会行为,“赫曼森说。

“这是一个有前途的方法揭示信号在大脑中可能隐藏于我们,因为他们不与任何我们可以看到或测量外部。这可能是特别相关的理解大脑回路参与更高认知、处理高度抽象的信息,我方难以理解,”加德纳说。

近20年前,莫泽发现单一的活动结构网格细胞。他们发现一个六角网格模式,作为大脑的指标和空间坐标系统。今天,他们已经发现了网格细胞的活动从人口结构代表一个空间模块。他们发现一个油炸圈饼的表面。的甜甜圈存在于之间的连通性细胞。

这项研究发表在自然。