神经科学家发现控制时间的神经元网络

图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）

麻省理工学院的一项新研究提供了依赖于负责产生特定行动的神经元的替代考试系统的证据。根据所需的时间间隔，这些神经元压缩或拉伸他们在特定时间产生行为的步骤。

时间对于播放乐器，摆动棒球棒以及许多其他活动至关重要。神经科学家提出了几种模型，这些模型如何通过时间来实现其精湛的控制，最突出的是，在大脑中的某个地方有一个集中的时钟或起搏器，让整个大脑保持着时间。

然而，MIT研究人员的新研究提供了依赖于负责产生特定行动的神经元的替代考试系统的证据。根据所需的时间间隔，这些神经元压缩或拉伸他们在特定时间产生行为的步骤。

“我们发现的是它是一个非常活跃的过程。大脑没有被动地等待一个时钟到达特定点，“罗伯特A.斯旺森职业发展教授MEHRDADJAZAYERI，MET SWANSON职业发展教授，MIT麦戈尔恩大脑研究所的MIT麦戈尔恩研究所和学习高级作者。

MIT Postdoc Jing Wang和前博士德维克纳莱纳是本文的主要作者，出现在12月4日神经科学期刊上。研究生eghbal hosseini也是本文的作者。

灵活的控制

最早的定时控制模型之一，称为时钟累加器模型，表明大脑具有内部时钟或起搏器，可让时间用于剩下的大脑。该模型的后来变化建议通过跟踪不同脑波频率之间的同步，而不是使用中央起搏器，大脑测量时间。

虽然这些时钟模型直观地吸引人，但Jazayeri说：“他们与大脑的作用不太好。”

没有人发现了集中时钟的证据，jazayeri和其他人想知道大脑的一部分，控制需要精确定时的行为可能本身可以执行定时功能。“人们现在提出了为什么大脑会在不总是需要的时候花费时间和精力来产生时钟。对于某些行为来说，您需要进行时间，所以也许大脑的部分，这些功能也可以进行时间，“他说。

为了探讨这种可能性，研究人员从动物的三个脑区记录了神经元活动，因为它们以两种不同的时间间隔进行了任务 - 850毫秒或1.500毫秒。

研究人员在这些间隔期间发现了一种复杂的神经活动模式。一些神经元射击更快，一些射击较慢，有些已经振荡开始振荡更快或更慢。然而，研究人员的关键发现是，无论神经元的反应，他们调整活动的速度取决于所需的时间间隔。

在任何时候，神经元的集合都处于特定的“神经状态”，随着每个磷酸性神经元以不同的方式改变其活性而随时间变化。要执行特定的行为，整个系统必须达到定义的最终状态。研究人员发现，无论间隔，神经元总是从初始状态到这种最终状态的相同轨迹。唯一改变的是神经元在这个轨迹中行驶的速度。

当所需的间隔更长时，这种轨迹是“拉伸”的，这意味着神经元花了更多的时间来发展到最终状态。当间隔较短时，轨迹被压缩。

“我们发现的是，当间隔变化时，大脑不会改变轨迹，它只是改变了它从初始内部状态到最终状态的速度，”Jazayeri说。

洛杉矶大学加利福尼亚大学行为神经科学教授Dean Buonomano表示，该研究“提供了精美的证据，即时序是大脑中的分布式过程 - 即，没有单一的主时钟。”

“这项工作也支持大脑不通过时钟机制告诉时间的概念，而是依赖于神经电路固有的动态，并且随着这些动态的增加和速度降低，动物移动更快或缓慢， “添加了Buonomano，没有参与研究。

神经网络

研究人员将他们的研究重点是连接三个地区的脑循环：背部正面皮质，尾部和丘脑。他们发现了这种独特的神经图案在背面正面皮质中，这参与了许多认知过程，以及参与电机控制，抑制和某些类型的学习的尾部。然而，在继承电机和感觉信号的丘脑中，它们发现了不同的模式：取决于所需的间隔，许多神经元只会增加或减少其射击率的许多神经元代替改变它们的轨迹的速度。

Jazayeri表示，这一发现与泰拉穆勒斯指示皮质如何调整其活动以产生某个间隔的可能性一致。

研究人员还创建了一款计算机模型，以帮助他们进一步了解这种现象。他们开始以随机的方式连接数百个神经元的模型，然后培训它以执行他们曾经训练动物的相同间隔的任务，没有就模型应该如何执行任务的指导。

他们发现这些神经网络最终使用了他们在动物脑数据中观察到的相同策略。一个关键的发现是，这种策略仅适用于一些神经元具有非线性活动 - 即，随着它们的输入增加，输出的强度不会不断增加。相反，由于它们收到更多的输入，它们的输出以较慢的速度增加。

Jazayeri现在希望进一步探索大脑如何在不同时间间隔期间看到的神经模式，以及我们的期望如何影响我们产生不同间隔的能力。

该研究由荷兰科学组织，国家卫生研究院，斯隆基金会，Klingenstein基金会，Simons基金会，传感器神经工程中心和McGovern研究所提供资金。

出版物：景王等，“通过皮质反应时间缩放灵活的时间，”自然神经科学（2017）DOI：10.1038 / S41593-017-0028-6