神经科学突破：微积分原理如何帮助大脑实现快速停止
神经科学突破：微积分原理如何帮助大脑实现快速停止
大脑如何实现快速停止？麻省理工学院的最新研究揭示了一个令人惊讶的机制：大脑使用基于微积分原理的信号系统来控制行为。这一发现不仅展示了大脑的精妙之处，也为理解神经科学和数学原理之间的联系提供了新的视角。
一只老鼠正在一个附带虚拟现实技术的跑步机上跑步。在它的脑海中，它看到自己在一条隧道里窜来窜去，前面有一个独特的灯光图案。通过训练，这只老鼠已经知道，如果它在灯光下停下来，并保持这个位置1.5秒，它将得到一个奖励－－一小杯水。然后它可以冲向另一组灯光，以获得另一种奖励。
这一场景是麻省理工学院的神经科学家Elie Adam、Taylor Johns和Mriganka Sur于7月发表在《细胞报告》上的研究的基础。它探讨了一个简单的问题。小鼠、人类和其他哺乳动物的大脑是如何快速地处理工作，以至于在一瞬间让我们停下来？这项新工作显示，大脑并不是以最直接或最直观的方式来传递一个停止 命令。相反，它采用了一个基于微积分原理的更复杂的信号系统。这种安排可能听起来过于复杂，但它是一种令人惊讶的聪明方式，可以控制那些需要比来自大脑的命令更精确的行为。
对行走或跑步的简单机械的控制是相当容易描述的。大脑的间脑运动区（MLR）向脊髓的神经元发送信号，脊髓再向支配腿部肌肉的运动神经元发送抑制性或兴奋性冲动。“停下”，“开始”，“停下”，“开始”……每个信号都是一组神经元发射时产生的电活动的尖峰。
然而，当一个新的目标被引入时，事情就会变得更加复杂。当网球运动员想要跑到球场上的一个确切位置，或者口渴的老鼠看着远处的一杯水时，又会发生什么？生物学家很早就知道，目标是在大脑皮层中形成的。那么大脑是如何将一个具体的目标（停止在那里，以便获得奖励）转化为一个精确的信号，然后告诉间脑运动区踩下刹车？
约翰霍普金斯大学的神经科学家斯里德维·萨玛说：在感觉运动控制方面，人类和哺乳动物具有非凡的能力。几十年来，人们一直在研究是什么让我们的大脑如此敏捷、快速和健壮。
为了了解答案，研究人员监测了老鼠大脑中的神经活动，同时记录了动物从最高速度减速到完全停止所需的时间。他们预计会看到一个抑制性信号涌入间脑运动区，触发腿部几乎瞬间的停止动作，就像按下开关关灯那样迅速。
但数据中的一个差异很快破坏了这一猜测。因为他们观察到，当小鼠减速时，有一个停止信号流入间脑运动区，但它的峰值强度不够快，不足以解释动物停止的速度。
"如果你只是采取停止信号并将其输入间脑运动区，动物将停止。但数学知识告诉我们，停止的速度不会足够快，"研究人员亚当说。研究人员苏尔也表示："我们过去认为大脑皮层会用一个快速的信号表示从0到1的转变。它并没有这样做，这就是难题所在。"
因此，研究人员猜测肯定有一个额外的信号系统在工作。
丘脑下部核团
为了找到它，他们再次研究了小鼠大脑的解剖结构。在目标起源的大脑皮层和控制运动的MLR之间有另一个区域，即丘脑下部核团（STN）。人们已经知道，丘脑下部核团通过两条路径与间脑运动区相连：一条路径负责发送兴奋性信号，另一条路径负责发送抑制性信号。研究人员意识到，间脑运动区对这两个信号之间的相互作用作出反应，而不是依赖其中一个信号的强度。
当冲刺的小鼠准备停止时，间脑运动区收到来自丘脑下部核团的抑制性信号。几乎紧接着，它也收到一个兴奋性信号。每个信号都是缓慢出现的，但它们之间的转换是快速的，而这正是间脑运动区所关注的。它记录这两个信号之间的差异。差别越大，抑制性信号的变化就越快，间脑运动区就越快地命令小鼠的腿停下来。
苏尔说："尖峰的高度中没有任何信息，一切都在尖峰之间的间隔中。因为尖峰是尖锐的，所以间隔可以携带信息。"
研究人员用微积分的两个基本元素来描述停止机制：积分和求导。
如果停止只取决于间脑运动区收到多少停止信号，那么它可以被认为是一种积分形式；信号的数量将是最重要的。但事实并非如此，因为这种积分形式本身并不足以实现快速控制。相反，间脑运动区积累了两个信号之间的差异，这反映了求导的方式：通过计算两个无限接近的值之间的差异来计算一个点上的曲线斜率。导数的快速动态抵消了积分的慢速动态，从而允许小鼠做出快速的停止动作。
简单来说，大脑中同时存在一个兴奋性信号和一个抑制性信号，这两个信号正在被瞬间比较，苏尔说，当该值达到一定量时，动物就会像瞬间按下开关那样停下来。
这种基于导数的控制系统可能听起来过于抽象，但它具有不可小觑的实际意义。当一只在虚拟现实中的老鼠或一个在球场上飞驰的网球运动员接近一个需要停下的位置时，他们可能会发现这时知道他们的速度是多么的有用。但对于计划他们下一步需要做什么，知道他们加速或减速的速度—也就是他们运动速度的导数函数，对他们来说会更加有用。
这个发现意味着，只要我们知道导数，也就是自己速度的变化率，那么我就可以预测我的速度在下一步会是多少，萨玛说，如果我知道我必须停止，那么我的大脑就可以自动计划它并使其顺其自然地发生。
Via：giphy
本文原文来自澎湃新闻