大脑编码复杂的气味与一个简单的代码

在现实世界中,气味不发生一次一个粉扑。动物穿过,随后扭曲,羽毛的气味分子不断漂移,改变方向的风力分散。现在,通过探索动物闻到的气味在自然条件下,洛克菲勒大学科学家玛丽亚互相格芬和她的同事们发现大脑编码这些漩涡,和复杂的分子模式使用很少的神经机制。调查结果显示动物气味的新理论。

在他们的工作,这将会出现在2月26日的问题神经元研究员,格芬,洛克菲勒中心的物理学和生物学的研究,分析了蝗虫的大脑活动产生的不同气味当他们闻到一缕释放气味分子在不同时间和不同——不是在metronome-like脉冲间隔通常是在气味研究完成的。“在它们的栖息地,动物没有奢侈的闻到了一秒钟,然后试图找出它是什么,”格芬说。“他们得到这个不断变化的信号。嗅觉系统是如何编码的动态信号吗?”

事实证明,答案是惊人的简单。

当格芬和她的同事来自哈佛大学和加州理工学院的最初看着嗅觉系统是如何回应的,结果看上去令人生畏。虽然人口不多的神经元被激活,以应对每个气味,激活不同的模式从一个神经元传到另一个神经元。考虑,格芬说,每个神经元都是一个闪光的来源。如果人口的神经元都开始闪烁,似乎每个神经元都闪烁着狂热和不协调的方式相对于另一个。很难设想的一组规则协调如此复杂的活动。但通过观察神经元功能的人口如何在一起,格芬和她的同事们发现,这些截然不同的反应可以通过一个非常简单的模型来解释。

“因为我们知道的规则确定这些神经元的行为,我们现在可以创建一个模型,该模型可以预测蝗虫嗅觉系统的这个网络在做什么,”格芬说。“基本上,这个模型总结了,在一个非常稀疏,这些神经元是如何一起工作来处理复杂的气味信号,我们每天遇到。这是进化最优雅。”

格芬发现她的模型不仅可以预测一个神经元的放电模式序列的气味分子,但它也可以做相反的:气味的时间序列预测神经元的放电模式。如果使用格芬一个神经元,该模型可以预测气味的时间有95%的准确度。如果他们使用两个神经元,准确性跃升至97%。“两个之后,没关系,”格芬说。”这意味着,即使有这些各种各样的反应,单个神经元保护几乎全部信息的精确时序动态气味。”

工作以两种理论为基础对动物如何编码的气味。而有一种理论认为,神经元携带信息的子集不同的气味,另一派则认为,大脑能够识别不同的气味,大量的神经元的放电模式。“这个研究提供了一个稀疏的解决方案,合并这两个假设,”格芬说。“我们说的是,一旦你知道哪个神经元,什么时候,多长时间的时间这些神经元响应的气味是大脑如何编码的气味。”

来源:洛克菲勒大学