神经学家发现拉伸或压缩他们的活动的神经元网络控制时间

时机是至关重要的,玩一种乐器,挥舞着棒球棒,和许多其他活动。神经科学家已经提出了一些模型,大脑是如何达到精致的控制时间,最突出的是,有一个集中的时钟,大脑或心脏起搏器,在整个大脑保持时间。

然而,来自麻省理工学院的研究人员提供了一项新的研究证据,依赖于另一个计时系统神经元负责一个特定的行动。根据时间间隔必需的,这些神经元压缩或伸展他们的步骤生成的行为在一个特定的时间。

“我们发现这是一个非常活跃的过程。大脑并不是被动地等待时钟到达一个特定点,”罗伯特·Swanson人士Jazayeri的话说职业发展生命科学教授,麻省理工学院麦戈文脑研究所的一员,和该研究的资深作者。

麻省理工学院博士后王静和前博士后Devika Narain是论文的主要作者,发表在12月4日发行的自然神经科学。研究生Eghbal Hosseini也是该论文的作者之一。

灵活的控制

最早的定时控制的模型,称为时钟蓄电池模型,表明,大脑有一个内部时钟或起搏器保持大脑的休息的时间。后面的这个模型的变化建议使用中央起搏器,而是大脑措施时间通过跟踪不同的脑电波频率之间的同步。

虽然这些时钟模型直观的吸引力,Jazayeri的话表示,“他们不匹配与大脑。”

没有人发现的证据集中的时钟,Jazayeri的话和别人怀疑的部分大脑控制行为,需要精确的时间可能执行时间函数本身。“人们现在问题为什么大脑想花时间和精力来生成一个时钟时并不总是必要的。某些行为需要时间,所以可能的部分大脑,促进这些函数也可以做时机,”他说。

探索这种可能性,研究人员从三个脑区神经元活动记录在动物他们在两个不同的时间间隔执行一个任务——850毫秒或1500毫秒。

研究人员发现一个复杂的神经活动模式在这些间隔。有些神经元发射更快,有些慢了,有些被振荡开始振动快慢。然而,研究者的主要发现是,无论神经元的反应,他们的速度调整他们的活动取决于所需的时间间隔。

在任何时候,一个神经元集合在一个特定的“神经状态,”随着时间变化每个神经元改变其活动方式不同。执行一个特定的行为,整个系统必须达到一个定义的结束状态。研究人员发现神经元总是旅行同样的轨迹从初始状态为此状态,无论间隔。唯一改变的是神经元的速度旅行这个轨迹。

当所需的间隔时间,这个轨迹是神经元“拉伸”,这意味着花更多的时间发展到最终状态。当间隔短,压缩轨迹。

“我们发现大脑不会改变轨迹当区间变化时,它只是改变的速度从最初的内部状态到最终状态,“Jazayeri的话说道。

神经网络

研究人员他们的研究集中在大脑回路,连接三个区域:背内侧额叶皮质、尾状核、丘脑。他们发现这个独特的背内侧额叶皮层的神经模式,参与许多认知过程,和尾状,这是参与运动控制,抑制和某些类型的学习。然而,在丘脑,继电器电机和感官信号,他们发现一个不同的模式:而不是改变他们的轨迹的速度,许多神经元的简单地增加或减少放电率,根据所需的时间间隔。

Jazayeri的话表示,这一发现是一致的,丘脑是指示皮层如何调整其活动产生一定的间隔。

研究人员还制造了一个电脑模型来帮助他们进一步了解这一现象。他们开始与数以百计的神经元模型在随机的方式连接在一起,然后训练它执行相同的任务interval-producing他们用来训练动物,没有指导模型应该如何执行任务。

他们发现这些神经网络最终使用相同的策略,他们观察到在动物大脑数据。一个关键发现就是这种策略只适用如果一些神经元有非线性的活动,他们的力量在其输入输出不不断增加增加。相反,他们得到了更多的输入,输出增加以较慢的速度。

Jazayeri的话现在希望进一步探讨大脑生成的神经在不同模式时间间隔,同时我们的期望如何影响我们的能力产生不同的间隔。

研究由卢比孔河格兰特从荷兰科学组织,美国国立卫生研究院,斯隆基金会Klingenstein基金会,西蒙斯基金会感觉运动神经工程中心,麦戈文研究所。