研究發(fā)現(xiàn)，“分布式電路”組件的關(guān)系可以跨物種擴(kuò)展
神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，至少有六種類(lèi)型的哺乳動(dòng)物 - 從老鼠到貓 - 以大致相同的方式區(qū)分氣味，使用大腦中的物種進(jìn)化保存的電路。
這個(gè)世界充滿(mǎn)了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的不同氣味，但哺乳動(dòng)物的大腦如何進(jìn)化以分辨它們是一件神秘的事情。
現(xiàn)在，來(lái)自Salk研究所和加州大學(xué)圣地亞哥分校的兩位神經(jīng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，至少有六種類(lèi)型的哺乳動(dòng)物 - 從老鼠到貓 - 以大致相同的方式區(qū)分氣味，使用大腦中的物種進(jìn)化保存的電路。
7月份，Salk神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室名譽(yù)教授，7月發(fā)表研究的合著者查爾斯史蒂文斯說(shuō)：“這項(xiàng)研究可以深入了解可能適用于大腦其他部位和其他物種的哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)大腦回路的組織原理。” 2019年第18期“當(dāng)代生物學(xué)”。
簡(jiǎn)而言之，該研究表明，每個(gè)物種的嗅覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)組成部分的大小大致相同，從鼻子中的受體開(kāi)始，將信號(hào)傳遞到大腦前方的神經(jīng)元簇。反過(guò)來(lái)，嗅球?qū)⑿盘?hào)傳遞到“更高功能”的區(qū)域，用于氣味識(shí)別，稱(chēng)為梨狀皮層。
“這三個(gè)階段相互縮放，每個(gè)階段神經(jīng)元數(shù)量的關(guān)系在不同物種之間是相同的，”加州大學(xué)圣地亞哥分校Kavli腦與腦研究所的助理項(xiàng)目科學(xué)家Shyam Srinivasan說(shuō)道，該論文的合著者。“所以，如果你告訴我鼻子里的神經(jīng)元數(shù)量，我可以預(yù)測(cè)梨狀皮質(zhì)或球狀體中的數(shù)量。”
目前的研究建立在2018年出版的同一個(gè)二人組的研究基礎(chǔ)之上，該研究描述了小鼠大腦如何使用所謂的“分布式電路”來(lái)處理和區(qū)分氣味。與視覺(jué)系統(tǒng)不同，例如，信息以有序的方式傳遞到視覺(jué)皮層的特定部位，研究人員發(fā)現(xiàn)，小鼠的嗅覺(jué)系統(tǒng)依賴(lài)于分布在梨狀皮質(zhì)上的連接組合。
在該論文之后，Stevens和Srinivasan試圖確定在小鼠中顯示的分布式神經(jīng)回路在其他哺乳動(dòng)物中是否相似。對(duì)于目前的工作，研究人員分析了不同大小和類(lèi)型的哺乳動(dòng)物大腦。他們的計(jì)算以及過(guò)去幾年的先前研究被用于估計(jì)腦容量。Stevens和Srinivasan使用各種顯微鏡技術(shù)，讓他們可視化在嗅覺(jué)電路中形成突觸(連接)的不同類(lèi)型的神經(jīng)元。
“我們無(wú)法計(jì)算每一個(gè)神經(jīng)元，所以我們做了一項(xiàng)調(diào)查，”Srinivasan說(shuō)。“我們的想法是，您從不同的代表區(qū)域采集樣本，因此任何違規(guī)行為都會(huì)被捕獲。”
新的研究表明，連接嗅球(腎小球)的每個(gè)功能單元與梨狀皮層神經(jīng)元的平均突觸數(shù)量在物種間是不變的。
史蒂文斯說(shuō)：“看到這些是如何保存的，這是非常了不起的。”
具體而言，個(gè)體氣味的識(shí)別與電路中的發(fā)射神經(jīng)元的強(qiáng)度和組合相關(guān)聯(lián)，可以將其比作鋼琴的音樂(lè)，其鋼琴的音符從多個(gè)按鍵的按下彈出以創(chuàng)建和弦，或者形成單詞的字母排列在本頁(yè)面。
“對(duì)氣味的歧視是基于射擊率，即沿神經(jīng)元軸突傳播的電脈沖，”Srinivasan說(shuō)。“對(duì)于咖啡來(lái)說(shuō)，一種氣味可能會(huì)引起神經(jīng)元的緩慢反應(yīng)，而同一神經(jīng)元可能會(huì)以更快的速度對(duì)巧克力產(chǎn)生反應(yīng)。”
這個(gè)用于嗅覺(jué)的代碼與大腦的其他部分不同。
“我們發(fā)現(xiàn)連接參數(shù)和嗅覺(jué)回路不同階段之間的關(guān)系在哺乳動(dòng)物中是保守的，這表明進(jìn)化已經(jīng)使用相同的設(shè)計(jì)來(lái)跨越物種，但只是改變了大小以適應(yīng)動(dòng)物的環(huán)境利基，”史蒂文斯說(shuō)。
在未來(lái)，史蒂文斯計(jì)劃研究大腦的其他區(qū)域?qū)ふ移渌植际诫娐?，其功能基于本研究中發(fā)現(xiàn)的類(lèi)似編碼。
Srinivasan說(shuō)他將關(guān)注氣味編碼中的噪音或變異如何決定歧視與學(xué)習(xí)之間的平衡，并解釋二人在工作中發(fā)現(xiàn)的變化可能是區(qū)分氣味的機(jī)制，可用于改善機(jī)器學(xué)習(xí)或AI系統(tǒng)。