冲刺然后停止?大脑天生就擅长数学运算

你的新公寓离公共汽车站只有几个街区远，但是今天你迟到了，你看到公共汽车从你身边驶过。你开始全速冲刺。你的目标是尽可能快地上车，然后刚好停在门口(这些门永远不会在路边的同一位置)，在关门前进去。麻省理工学院在老鼠身上进行的一项新研究发现，哺乳动物的大脑被巧妙地连接起来，以实现微积分的原理。

有人可能会认为，在全速奔跑后在目标处急刹车就像条件反射一样简单，但赶上公共汽车或跑到视觉指示的地标处以获得水奖励(就像老鼠所做的那样)是一种习得的、视觉引导的、目标导向的壮举。在这样的任务中，这是高级作者Mriganka Sur的实验室的主要兴趣，他是麻省理工学院皮考尔学习和记忆研究所的牛顿神经科学教授，从一种行为(奔跑)切换到另一种行为(停止)的关键决定来自大脑皮层，大脑在那里整合了学习到的生活规则感觉信息指导计划和行动。

“我们的目标是大脑皮层的作用，”麻省理工学院大脑与认知科学系的教职员工苏尔说。“为了达到上车的目标，我应该在哪里停车?”

这也是问题变得复杂的地方。博士后和该研究的主要作者埃利·亚当(Elie Adam)开发的行为数学模型预测，“停止”信号直接从皮层的M2区域传递到脑干区域(实际上控制腿部)，处理速度会太慢。

“你有M2发送一个停止信号，但当你建模并进行数学计算时，你会发现这个信号本身的速度不足以让动物及时停止，”亚当说，他的工作发表在期刊上细胞的报道．

那么大脑是如何加速这一过程的呢?亚当、苏尔和合著者泰勒·约翰斯发现，M2将信号发送到一个名为大脑的中间区域丘脑核(STN)，然后沿两条不同的路径发出两个信号，在脑干重新汇聚。为什么?因为这两个信号产生的差异，一个是抑制性的，一个是兴奋性的，一个接一个地到达，把问题从整合，一个相对缓慢的输入相加，变成了分化，这是对变化的直接识别。微积分中的转换更快地实现了停止信号。

亚当的模型使用系统和控制理论从工程上准确地预测了适当停车所需的速度，以及实现这一目标所需的区分，但需要一系列解剖研究和实验操作来证实模型的预测。

首先，亚当证实M2确实只在老鼠需要达到训练目标时才会产生神经活动激增。他还表示，它正在向STN发送产生的信号。出于其他原因的其他停留没有采用这一途径。此外，人为激活M2-STN通路会迫使小鼠停止活动，而人为抑制M2-STN通路会导致小鼠更频繁地越过这一地标。

STN当然需要向脑干发出信号——特别是中脑移动区域的桥梗核(PPN)。但当科学家们观察时神经活动从M2开始，然后迅速形成PPN，他们发现PPN中不同类型的细胞有不同的反应时间。特别是，在停止前，兴奋性细胞是活跃的，它们的活动反映了动物在停止期间的速度。然后，观察STN，他们发现在停止前后有两种活性波动——一种比另一种稍慢——要么通过兴奋直接传递给PPN，要么通过抑制间接通过黑质网状部(SNr)传递给PPN。这些信号在PPN中相互作用的净结果是兴奋加剧的抑制。这种突变可以通过微分快速发现并实现停止。

Sur说:“抑制激增之后的兴奋可以产生一个急剧的信号变化。”

这项研究与最近的其他论文相吻合。亚当与皮考尔研究所研究员埃梅里·n·布朗合作，最近制作了一份新的模型如何深部脑刺激STN可以迅速纠正帕金森病导致的运动问题。去年，苏尔实验室的成员，包括亚当，发表了一篇论文研究展示了在视觉引导的运动任务中，皮层如何覆盖大脑更根深蒂固的反射。这些研究有助于理解皮层如何有意识地控制本能连接的运动行为，以及更深层次的区域(如STN)在快速实现目标导向行为方面的重要性。一个最近的评论从实验室阐述了这一点。

亚当推测，皮层与stn通信的“超直接通路”可能比快速停止行动有更广泛的作用，可能会扩展到更远的地方电机控制对大脑的其他功能，如思维或情绪的中断和切换。

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