神经科学家揭示大脑如何决定记忆内容

神经科学家揭示大脑如何决定记忆内容 最近的研究发现，海马体中的"锐波涟漪"是一种大脑机制，它决定了哪些日常经历会成为永久记忆，闲暇时的显著涟漪会导致睡眠中的记忆巩固。神经科学家在过去几十年中发现，大脑会在当晚的睡眠中将一些日常经历转化为持久记忆。最近的一项研究介绍了一种机制，它能决定哪些记忆足够重要，可以保存在大脑中，直到睡眠将其永久固化。在纽约大学格罗斯曼医学院研究人员的领导下，这项研究围绕着被称为神经元的脑细胞展开，这些神经元通过"发射"或使其正负电荷的平衡发生波动来传输编码记忆的电信号。在一个名为海马体的大脑区域中，大群神经元有节奏地循环发射信号，在几毫秒内产生信号序列，这些信号可以编码复杂的信息。这些向大脑其他部分发出的"呼喊"被称为"尖波涟漪"，代表了 15% 的海马神经元近乎同时发射的信号，因其活动被电极捕捉并记录在图表上时所呈现的形状而得名。过去的研究将波纹与睡眠中记忆的形成联系在一起，而最近发表在《科学》杂志上的这项新研究发现，紧接着5到20个尖锐波纹的白天事件在睡眠中会被更多地重放，从而巩固为永久记忆。而很少或没有尖锐波纹的事件则无法形成持久记忆。该研究的资深作者、纽约大学朗贡卫生院神经科学与生理学系比格斯神经科学教授、医学博士 György Buzsáki 说："我们的研究发现，尖锐波纹是大脑用来'决定'保留和丢弃什么的生理机制。"这项新研究基于一个已知的模式：包括人类在内的哺乳动物会体验世界片刻，然后暂停，再体验一会儿，然后再暂停。研究报告的作者说，在我们关注某件事情之后，大脑计算往往会切换到一种"闲置"的重新评估模式。这种瞬间停顿在一天中都会发生，但最长的空闲期发生在睡眠中。Buzsaki 及其同事之前已经证实，当我们积极探索感官信息或移动时，不会出现锐波纹波，只有在之前或之后的空闲停顿期间才会出现锐波纹波。目前的研究发现，尖锐的波状三角形代表了觉醒后这种停顿期间的自然标记机制，标记的神经元模式会在任务后的睡眠中重新激活。重要的是，我们知道尖锐的波状纹是由海马"位置细胞"按照特定顺序发射的，我们进入的每一个房间和老鼠进入的每一个迷宫臂都是由这种细胞编码的。对于被记住的记忆，同样的细胞会在我们睡觉时高速发射，"每晚回放记录的事件数千次"。这个过程加强了相关细胞之间的联系。在本次研究中，研究小组通过电极跟踪了小鼠连续运行迷宫的过程，这些海马细胞群尽管记录的经历非常相似，但却随着时间的推移而不断变化。这首次揭示了在迷宫运行过程中，涟漪在清醒时暂停，然后在睡眠时重放。当小鼠在每次跑完迷宫后停下来享用含糖食物时，通常会记录到尖锐的波状瘫痪。作者说，小鼠食用奖励后，大脑就会从探索模式切换到闲置模式，从而出现锐波瘫痪。通过使用双面硅探针，研究小组能够在迷宫运行期间同时记录动物海马中的多达 500 个神经元。这反过来又带来了挑战，因为独立记录的神经元越多，数据就会变得异常复杂。为了获得对数据的直观理解、可视化神经元活动并形成假设，研究小组成功地减少了数据的维数，在某种程度上就像把三维图像转换成平面图像一样，而且没有失去数据的完整性。第一作者、布扎基实验室的研究生杨婉楠（Winnie）博士说："我们努力将外部世界排除在外，研究哺乳动物大脑先天和潜意识中将某些记忆标记为永久记忆的机制。为什么会进化出这样一个系统仍然是个谜，但未来的研究可能会揭示出一些设备或疗法，它们可以调整尖锐的波纹，从而改善记忆，甚至减少对创伤事件的回忆"。编译来源：ScitechDaily参考文献:《海马体锐波涟漪对记忆经验的选择》，作者：Wannan Yang、Chen Sun、Roman Huszár、Thomas Hainmueller、Kirill Kiselev 和 György Buzsáki，2024 年 3 月 28 日，《科学》。DOI: 10.1126/science.adk8261 ... PC版： 手机版：

科学家发现婴儿大脑与人工智能模型惊人相似

科学家发现婴儿大脑与人工智能模型惊人相似 与许多动物相比，人类在出生后很长一段时间内都是无助的。许多动物，如马和鸡，出生当天就能行走。这种漫长的无助期使人类婴儿处于危险之中，也给父母带来了巨大的负担，但令人惊讶的是，这种无助期却经受住了进化的压力。跨物种研究的启示"自 20 世纪 60 年代起，科学家们就认为人类婴儿表现出的无助感是由于出生时的限制造成的。他们认为，人类婴儿头大，必须早产，导致大脑发育不成熟，无助期长达一岁。"认知神经科学教授、论文第一作者罗德里-库萨克（Rhodri Cusack）教授解释说。研究团队由库萨克教授、美国奥本大学克里斯蒂娜-查韦特教授和 DeepMind 高级人工智能研究员 Marc'Aurelio Ranzato 博士组成，库萨克教授利用神经成像技术测量婴儿大脑和心智的发育情况；克里斯蒂娜-查韦特教授负责比较不同物种的大脑发育情况；DeepMind 高级人工智能研究员 Marc'Aurelio Ranzato 博士负责比较不同物种的大脑发育情况。"我们的研究比较了不同动物物种的大脑发育情况。它借鉴了一个长期项目时间转换"（Translating Time），该项目将不同物种的相应年龄等同起来，从而确定人类大脑在出生时比许多其他物种更加成熟。"研究人员利用脑成像技术发现，人类婴儿大脑中的许多系统已经开始运作，并能处理来自感官的丰富信息流。这与人们长期以来认为婴儿大脑的许多系统尚未发育成熟，无法发挥作用的观点相矛盾。研究小组随后将人类的学习与最新的机器学习模型进行了比较，在后者中，深度神经网络受益于"无助"的预训练期。在过去，人工智能模型是直接根据所需的任务进行训练的，例如训练自动驾驶汽车识别它们在道路上看到的东西。但现在，模型最初都是经过预先训练，以便在海量数据中发现模式，而不执行任何重要任务。由此产生的基础模型随后用于学习特定任务。研究发现，这种方法最终会加快新任务的学习速度，并提高性能。对未来人工智能发展的影响"我们提出，人类婴儿也同样利用婴儿期的'无助'期进行预训练，学习强大的基础模型，并在以后的生活中以高性能和快速泛化来支撑认知。这与近年来在生成式人工智能领域取得重大突破的强大机器学习模型非常相似，例如OpenAI的ChatGPT或Google的Gemini，"库萨克教授解释道。研究人员表示，未来对婴儿学习方式的研究很可能会启发下一代人工智能模型。"虽然人工智能取得了重大突破，但基础模型比婴儿消耗大量能源，需要的数据也多得多。了解婴儿是如何学习的，可能会对下一代人工智能模型有所启发。"他最后说："下一步的研究将是直接比较大脑和人工智能的学习情况。"编译自/scitechdailyDOI: 10.1016/j.tics.2024.05.001 ... PC版： 手机版：

独特的大脑"流'活动模式显示我们何时"进入状态"

独特的大脑"流'活动模式显示我们何时"进入状态" 通过分析爵士吉他手的大脑活动了解创造性流状态 美国国家科学基金会/德雷克塞尔大学关于"流"的研究有很多，但大多数都依赖于参与者的自我报告。美国德雷克塞尔大学创造力研究实验室的研究人员在一项新的研究中，通过分析创造性任务中与"流"相关的大脑活动，首次揭示了大脑是如何进入"流"的状态的。该研究的通讯作者约翰-库尼奥斯（John Kounios）说："流是由心理学先驱米哈里-西克森特米哈伊（Mihaly Csikszentmihalyi）首次提出并研究的。他将其定义为'一种状态，在这种状态下，人们如此投入于某项活动，以至于其他一切似乎都不重要了；这种体验是如此令人愉悦，以至于人们会为了做这件事而继续做下去，甚至不惜付出巨大的代价'。"音乐家进入流状态的一个贴切例子出现在 2020 年迪士尼和皮克斯联合出品的电影《灵魂》中。在电影中，当有人花大量时间处于"The Zone"状态时，他们会体验到一种完全吸收和专注的状态。在下面的视频中，电影中的一些音乐艺术家讲述了他们自己对这种现象的体验。Soul | In the Zone | 迪斯尼和皮克斯官方英国网站尽管科学界已经对"流"现象进行了广泛的研究，但从大脑功能的角度来看，人们对"流"到底是什么还没有达成共识。一种理论认为，当一个人做白日梦时，被称为"默认模式网络"的大脑区域会协同工作，在大脑额叶"执行控制网络"的监督下产生想法。另一种理论认为，多年的任务练习会使大脑形成一个专门的网络，几乎不需要有意识的努力就能产生特定的想法，例如音乐方面的想法。执行控制网络放松了其监督作用，因此专门网络可以不受干扰地"自动驾驶"。这一假设的关键在于，没有丰富经验或难以放手的人不太可能进入创意流状态。研究人员招募了 32 名爵士吉他手，其中有些人经验丰富，有些人则经验较少。他们在鼓声、贝司和钢琴的伴奏下即兴弹奏六首爵士乐时，研究人员记录了他们大脑活动的高密度脑电图（EEG）。参与者被要求对每次即兴演奏或"演奏"的流体验强度进行评分。四位爵士乐专家还对每段即兴演奏进行了单独评判，以客观地确定参与者的专业水平。大脑正面图。当处于高流量状态时，爵士音乐家的这些额叶区域活动减少 德雷克塞尔大学根据参与者的评价，研究人员发现，经验丰富的音乐家比经验不足的音乐家更经常、更强烈地体验到"流"。当他们分析脑电图以了解哪些脑区与高流量和低流量状态相关时，他们发现高流量状态与左侧脑区的活动增加有关，而左侧脑区与聆听和演奏音乐有关。重要的是，在高流量状态下，与有意识控制或放手有关的额叶区域活动减少。对于高经验音乐家来说，高流状态与听觉和视觉区域的活动增加以及默认模式网络关键部分的活动减少有关。这表明，默认模式网络对与流相关的想法生成并无太大贡献。相比之下，低经验音乐家几乎没有表现出与流相关的大脑活动。左脑和右脑的内视图显示，当高经验音乐家处于高流量状态时（与低流量状态相比），大脑活动减少的区域。这些区域包括大脑默认模式网络的关键节点。总体而言，研究结果支持创造性流的"专业知识加控制释放"假说，这对想要进入流状态的人具有实际意义。库尼奥斯说："这些结果的一个实际意义是，可以通过练习在特定的创意出口积累经验，再加上训练，在获得足够的专业知识后撤销有意识的控制，从而达到富有成效的流状态。这可以成为指导人们产生创意的新技术的基础。"虽然这项研究关注的是音乐家，但研究人员表示，他们的发现适用于任何领域想要创新的人。"如果你想流畅地表达想法，那就继续研究那些音阶、物理问题或其他任何你想做的创造性工作计算机编码、小说写作你说得出来，"库尼奥斯说。"然后，试着放手。正如爵士乐大师查理-帕克所说，'你必须学会你的乐器。然后，你要练习、练习、再练习。然后，当你终于站上乐队的舞台时，忘掉这一切，尽情嚎叫吧！"这项研究发表在《神经心理学》杂志上。这段视频由资助这项研究的美国国家科学基金会制作，解释了这项研究及其发现。 ... PC版： 手机版：

科学家研制出世界上首个3D打印 "大脑模型"

科学家研制出世界上首个3D打印 "大脑模型" 在维也纳医科大学和维也纳工业大学的一个联合项目中，开发出了世界上第一个三维打印的"大脑模型"，该模型以脑部纤维结构为模型，可以使用一种特殊的磁共振成像（dMRI）进行成像。由维也纳医科大学和维也纳工业大学领导的科研团队在一项研究中表明，这些大脑模型可用于推进神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症）的研究。这项研究成果发表在《先进材料技术》（Advanced Materials Technologies）杂志上。磁共振成像（MRI）是一种广泛使用的诊断成像技术，主要用于检查大脑。核磁共振成像可在不使用电离辐射的情况下检查大脑的结构和功能。在磁共振成像的一种特殊变体扩散加权磁共振成像（dMRI）中，还可以确定大脑中神经纤维的方向。然而，在神经纤维束的交叉点很难正确确定神经纤维的方向，因为不同方向的神经纤维会在那里重叠。为了进一步改进流程以及测试分析和评估方法，一个国际团队与维也纳医科大学和维也纳工业大学合作开发了一个所谓的"大脑模型"，该模型是利用高分辨率三维打印工艺制作的。带有微通道的小立方体维也纳医科大学的研究人员作为核磁共振成像专家，维也纳工业大学的研究人员作为三维打印专家，与苏黎世大学和汉堡大学医疗中心的同事密切合作。早在2017年，维也纳工业大学就开发出了一种双光子聚合打印机，可以实现升级打印。在此过程中，还与维也纳医科大学和苏黎世大学共同开展了脑模型的使用案例研究。由此产生的专利构成了脑模型的基础，该模型现已开发完成，并由维也纳工业大学的研究与转让支持团队负责监督。从外观上看，这个幻影与真正的大脑并无太大区别。它要小得多，形状像一个立方体。它的内部是非常细小的、充满水的微通道，大小与单个颅神经相当。这些通道的直径比人的头发丝还要细五倍。为了模仿大脑中精细的神经细胞网络，第一作者迈克尔-沃莱茨（Michael Woletz）（维也纳医科大学医学物理和生物医学工程中心）和弗兰兹斯卡-查鲁帕-甘特纳（Franziska Chalupa-Gantner）（维也纳工业大学3D打印和生物制造研究小组）领导的研究小组使用了一种相当不寻常的3D打印方法：双光子聚合。这种高分辨率方法主要用于打印纳米和微米级的微结构，而不是打印立方毫米级的三维结构。为了为 dMRI 制作合适尺寸的模型，维也纳科技大学的研究人员一直在努力扩大三维打印工艺的规模，以便能够打印出具有高分辨率细节的更大物体。高比例三维打印为研究人员提供了非常好的模型，在 dMRI 下观察时，可以确定各种神经结构。Michael Woletz 将这种提高 dMRI 诊断能力的方法与手机相机的工作方式进行了比较："我们看到，手机相机在摄影方面取得的最大进步并不一定是新的、更好的镜头，而是改进所拍摄图像的软件。dMRI 的情况也类似：利用新开发的大脑模型，我们可以更精确地调整分析软件，从而提高测量数据的质量，更准确地重建大脑神经结构。"改进 dMRI分析软件因此，真实再现大脑中的特征神经结构对于"训练"dMRI 分析软件非常重要。使用三维打印技术可以创建可修改和定制的各种复杂设计。因此，大脑模型描绘的是大脑中产生特别复杂信号并因此难以分析的区域，如交叉的神经通路。因此，为了校准分析软件，需要使用 dMRI 对大脑模型进行检查，并像分析真实大脑一样分析测量数据。由于采用了三维打印技术，模型的设计是精确可知的，分析结果也可以检查。作为联合研究工作的一部分，维也纳医科大学和维也纳理工大学已经证明了这一点。所开发的模型可用于改进 dMRI，从而有利于手术规划和神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症）的研究。尽管概念得到了验证，但团队仍然面临着挑战。目前最大的挑战是扩大这种方法的规模："双光子聚合的高分辨率使得打印微米和纳米范围的细节成为可能，因此非常适合颅神经成像。但与此同时，使用这种技术打印一个几立方厘米大小的立方体也需要相应的时间，"Chalupa-Gantner 解释说。"因此，我们不仅要开发更复杂的设计，还要进一步优化打印过程本身"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现脊髓神经机制带来的惊人记忆能力

科学家发现脊髓神经机制带来的惊人记忆能力 日本理化学研究所脑科学中心的竹冈绫（Aya Takeoka）及其团队确定了脊髓中独立于大脑促进运动学习的神经通路。他们的研究结果发表在4月11日的《科学》（Science）杂志上，研究人员发现了两组关键的脊髓神经元，一组是新的适应性学习所必需的，另一组则是学习后回忆适应性的神经元。这些发现可以帮助科学家开发出帮助脊髓损伤后运动恢复的方法。科学家们早就知道，即使没有大脑，脊髓的运动输出也可以通过练习进行调整。这一点在无头昆虫身上得到了最显著的体现，它们的腿仍然可以通过训练来避开外界的提示。到目前为止，还没有人搞清楚这是如何做到的，如果不了解这一点，这种现象就只能是一个怪异的事实。正如武冈解释的那样："如果我们想了解健康人运动自动性的基础，并利用这些知识改善脊髓损伤后的恢复，那么深入了解其潜在机制是至关重要的。在这项研究中，将肢体位置与不愉快经历联系起来的脊髓仅在 10 分钟后就学会了调整肢体位置，并在第二天保留了记忆。而随机接受不愉快经历的脊髓则不会学习。资料来源：理化学研究所在深入研究神经回路之前，研究人员首先开发了一种实验装置，使他们能够在没有大脑输入的情况下研究小鼠脊髓的适应性，包括学习和回忆。每次试验都有一只实验鼠和一只后腿自由悬垂的对照鼠。如果实验鼠的后腿下垂过多，它就会受到电刺激，模仿小鼠想要避免的动作。对照组小鼠在同一时间接受同样的刺激，但与自己的后腿位置无关。即时学习和记忆保持观察仅仅过了 10 分钟，他们就观察到只有实验小鼠进行了运动学习；它们的腿仍然高高抬起，避免了任何电刺激。这一结果表明，脊髓可以将不愉快的感觉与腿部位置联系起来，并调整其运动输出，使腿部避免不愉快的感觉，而这一切都不需要大脑。24 小时后，他们重复了 10 分钟的测试，但将实验小鼠和对照组小鼠颠倒过来。原来的实验小鼠仍然保持着抬腿的姿势，这表明脊髓保留了对过去经历的记忆，从而干扰了新的学习。在脊髓中建立了即时学习和记忆之后，研究小组开始研究使这两种学习和记忆成为可能的神经回路。他们使用了六种类型的转基因小鼠，每种小鼠都有一组不同的脊髓神经元被禁用，并对它们进行了运动学习和学习逆转的测试。他们发现，脊髓顶端的神经元失效后，小鼠后肢无法适应以避免电击，尤其是那些表达Ptf1a基因的神经元。当他们在学习逆转过程中对小鼠进行检查时，发现沉默表达 Ptf1a 的神经元没有任何效果。相反，脊髓底部腹侧的一组表达En1基因的神经元却起了关键作用。当这些神经元在学习回避的第二天被沉默时，脊髓就像从未学习过任何东西一样。研究人员还在第二天通过重复最初的学习条件来评估记忆回忆。他们发现，在野生型小鼠中，后肢比第一天更快稳定地到达回避位置，这表明它们已经记住了。在回忆过程中激发En1神经元可将这一速度提高80%，表明运动回忆能力增强。竹冈说："这些结果不仅挑战了运动学习和记忆仅局限于大脑回路的普遍观点，而且我们还证明了我们可以操纵脊髓运动记忆，这对旨在改善脊髓损伤后恢复的疗法具有重要意义。" ... PC版： 手机版：

超越第五感：科学家发现对时间的感知有可能"搭载"了真正的感官模式

超越第五感：科学家发现对时间的感知有可能"搭载"了真正的感官模式 感官体验和时间感知在大脑体感皮层中有着错综复杂的联系。在这里，两种感觉的神经表征相互交织，在一个共享的神经网络中"复用"。马修-戴蒙德教授及其 SISSA 研究小组最近在《自然-通讯》上发表了他们的研究成果，揭示了触觉与时间感之间错综复杂的相互作用。当我们处理通过皮肤接收到的刺激时，躯体感觉皮层的神经元会有力地表现出刺激的细节特征，最终形成触觉的主观体验。然而，刺激在时间上是短暂的还是延长的？对时间流逝的感知是如何产生的？研究小组的研究结果表明了体感皮层是如何促进对时间的感知的。光遗传学是一种通过在大脑皮层施加光来调节神经元活动的技术，这项研究利用这种技术，在两种看似不同的体验刺激的"内容"和"持续时间"之间建立了联系。在训练大鼠评估振动强度而忽略持续时间的过程中，光遗传学干预影响了感知强度。相反，在训练动物评估振动持续时间而忽略强度的过程中，光遗传干预影响了感知的持续时间。这些发现不仅肯定了躯体感觉皮层在构建触觉方面的预期功能，而且还支持了这样一种观点，即对时间的感知植根于一个由具有不同功能（包括触觉）的大脑区域组成的广泛网络。这项研究为今后探索感官体验与时间感知之间错综复杂关系的研究奠定了基础。研究协调员马修-戴蒙德（Mathew Diamond）教授解释说："感知感觉事件持续时间的神经元机制仍不完全清楚。人们认为，对时间的感知不是依赖于单一的大脑中枢，而是来自分布在不同大脑区域的神经元网络。研究结果表明，大脑皮层的感觉处理阶段是网络的一个组成部分。这意味着一个皮层神经元群可以产生两种不同的感觉体验，强调了时间感知和触觉的相互关联性"。SISSA 研究小组之前的研究暗示，感觉处理通路中脉冲的整合和积累是时间感知的潜在机制。现在，光遗传学技术被用来直接测试这一假设，从而能够操纵特定目标位置的神经元活动。戴蒙德解释说："如果光遗传干预产生了行为效应，唯一的解释就是目标神经元以某种方式参与其中。以两组大鼠中相似的神经元为目标，会产生两种不同的行为结果。通过光遗传学增加神经元发射，'持续时间'组大鼠感知到的持续时间增加，而"强度"组大鼠感知到的强度增加。由于这两种感知涉及一组重叠的神经元，我们将这两种信号描述为体感皮层中的"复用"信号。最后，我们构建了一个从皮层神经元生理到最终知觉的数学模型。该模型指出了从神经元发射建立精细知觉的潜在细胞机制"。研究得出结论，时间感知与触觉错综复杂地交织在一起，在触觉表象中出现。这一见解为通过感官编码的视角探索时间体验打开了大门，为理解感知外部世界与感知时间之间的复杂关系提供了新的途径。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：