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我国科学家揭示听觉皮层编码听觉认知的新机制

来源:科学网 2019-07-09 13:09

 

 

“你在哪里呢?”当你接到这样一个电话时,即使环境嘈杂、信号不好,你仍然可以不费吹灰之力就听出电话那头的声音是熟人还是陌生人。每天,我们的大脑接收来自客观世界的感觉信息纷繁复杂,大脑对外来刺激进行分类后,我们才有了感知判断。那么大脑是如何开展这项工作的呢?

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室徐宁龙研究员团队揭示了其中的奥秘,解析了大脑对感觉信息进行范畴化的皮层神经元群体运算机制。这项研究成果7月8日深夜在线发表于《神经元》。

垃圾需要分类,大脑信息更需要分类

为什么大脑要对接收到的信息进行分类呢?

徐宁龙告诉《中国科学报》记者:“由于我们的大脑接每天接收到客观世界的海量的感觉信息,而我们能够形成的概念和采取的行动则数目却非常有限。为了形成有意义的认知来指导我们的行为,我们的大脑需要对这些信息进行高效的组织管理,而其中最基本的过程就是范畴化。” 徐宁龙说,“‘范畴化’简单地说,就是‘分类’”。

本世纪初,美国神经科学家就发现了与感知类别相对应的神经活动,并开启了信息分类和感知觉范畴化神经机制研究新领域。然而,以往的研究侧重的是神经运算的结果,对于感觉信息怎样被转化为离散的类别信息这一神经运算过程,并没有明确答案。

大脑信息分类,不是个简单的活儿

大脑是如何将复杂而又连续的刺激信息进行分类的?

为了解决这个问题,研究人员在小鼠中建立了一个基于听觉的分类抉择行为范式,结合活体双光子成像技术,成功解析了对感觉信息进行范畴化的皮层神经元群体运算机制。

徐宁龙解释:“听到声音,经过训练的小鼠大脑中的一类神经元表现出对声音类别的特异性反应,将不同频率的纯音归类到‘高音’或‘低音’范畴。在‘高音’和‘低音”临界点的分类过程中,小鼠会‘纠结’。就好比我们在垃圾分类的时候,没法判断是“干垃圾”还是“湿垃圾”,这时候我们需要求助他人,一起来想办法研究如何分类。对于小鼠而言,这时大脑中的另外一类神经元,则表现出对于类别边界频率的声音‘选择性反应’,聚集起来,协助小鼠进行判断,完成分类任务。”

在徐宁龙看来最有趣的是,如果小鼠没有被要求完成分类任务,这类神经元选择性反应“难觅踪迹”。“显然,对神经元而言,这是一种任务依赖的动态调整。”

研究表明:在听觉皮层中存在范畴抉择相关的单细胞反应;听觉皮层神经元的信息编码会根据任务需要发生动态变化,有利于把连续的感觉信息转化为与任务相关的分类信息。此外,研究也验证了在分类任务状态下听觉皮层神经元活动能够准确预测小鼠执行听觉范畴分类任务。

有望提供人工智能算法设计新思路

“我们揭示了听觉皮层神经元群体可以根据分类任务的需要,动态调整信息编码特性,有利于提高分类边界分辨能力的群体编码结构。”

徐宁龙表示:“这一成果对感觉皮层在认知过程中的信息处理机制提出了新的理解和预期,我们希望能有助于启发人工智能算法设计的新思路,比如优化算法、提高分辨率等。”(生物谷Bioon.com)

 

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