科学网—顺序至关重要：人脑神经元编码信息序列方式
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2024-12-3 09:33
| 系统分类: 海外观察
人脑前颞叶的神经元群体活动在响应视觉图像时，会组织成一系列脉冲放电。这些脉冲中神经元放电的具体序列编码了关于这些图像的类别和实例相关信息，补充了神经编码中已确立的放电率的作用。
问题 提出
解码人脑中神经元传达信息的过程被称为神经编码。传统上，这通过考虑神经元在刺激开始后如何改变其放电信号（或 “脉冲”）的频率来完成，例如呈现视觉图像时。然而，一组细胞中神经元的特定时间顺序—称为神经元序列—可能提供一个强大且互补的神经编码来捕获信息。由于神经元可以以多种组合安排它们的脉冲相对时间，神经元序列可以使用仅有的几个脉冲来编码复杂信息。之前来自动物大脑接收感觉信息区域的证据表明，在刺激开始后离散爆发的群体脉冲中出现的神经元序列可以代表基本的刺激特征。然而，尚不清楚这样的神经元序列如何在人脑中帮助编码信息，特别是在被称为联合皮层的区域，这些区域被认为涉及更高级别的认知，如语义知识（关于概念如何相互关联的知识）。
发现
我们在进行脑部手术以监测癫痫的患者的前颞叶记录了神经元活动。我们记录了这个区域神经元群体的脉冲活动，当参与者观看图像并将它们分类为语义类别（如 “动物”、“物体”和“人”）时。我们检查了参与者完成任务期间跨神经元群体脉冲活动中观察到的神经元放电序列。我们旨在调查这些神经元序列是否足以表示每个图像的更广泛分类类别（如“动物”、“物体”和“人”）以及选定类别内的个体实例（例如，“人”类别中的特定个体）的信息。我们还试图确定这些神经元序列编码的信息是否与视觉刺激开始后放电率变化所编码的信息不同。
我们的数据显示，人前颞叶的神经元群体表现出组织成精确时间序列的离散脉冲活动。这些神经元序列在参与者完成视觉分类任务时传递高阶视觉信息，涵盖类别和实例的层次结构（图 1）。这些神经元序列捕获的信息与放电率变化捕获的信息不完全相同。此外，这些群体爆发中的神经元序列并不仅仅反映了单个神经元对刺激开始的不同脉冲潜伏期。总的来说，这些结果表明大脑使用放电率和爆发内神经元间精确的脉冲时间以互补的方式处理和表示信息。
图 1 | 人脑前颞叶群体爆发中的神经元序列编码关于视觉类别和实例的信息。响应于视觉图像，人脑前颞叶的神经细胞（“单位”）经常紧密地在时间上放电，创造出记录的神经元群体中的“爆发”活动。这些神经元的精确脉冲时间形成了针对每种类型（类别）刺激的特定模式序列。使用这些序列，我们开发了一种基于序列的分类器，能够解码广泛的类别以及类别内的个别实例（例如，“人”类别下的不同美国总统；未显示）。所示照片是公共领域图像或有版权放弃声明的图像；它们与实验中使用的图像相似但不相同。
研究意义
我们的结果强调了神经元脉冲序列在支持人类认知的信息表示中的作用。因此，这些数据为解码人脑中的神经活动提供了新的视角。此外，我们的数据还表明，旨在模拟人脑计算效率的人工系统可以从纳入神经元序列作为编码信息的补充和协同神经代码中受益 ——与脉冲率一起3。
我们的数据为研究神经编码开辟了新的途径 ——这是脑研究中一个核心问题。尽管我们的数据仅限于检查大约100个同时记录的神经元的活动，但随着技术的进步使得能够记录更大规模的神经元群体，神经元序列在编码信息中的贡献可能会被揭示为更加相关。此外，我们的数据强调了这些神经元序列在离散的群体脉冲爆发期间的信息编码功能。然而，为什么会出现这些爆发以及它们是否反映了内部处理的某些方面仍是需要进一步探索的开放性问题。
描述神经元序列在更广泛的人类认知功能中的角色，并开发方法操纵顺序神经元活动以影响认知，仍然是未来研究的重要方向。 ——约翰·H·维蒂格和卡里姆·A·扎格鲁尔在美国国家卫生研究院国立神经疾病与中风研究所，马里兰州贝塞斯达。
审稿 专家 看法
作者分析了一组丰富的数据集，包括在参与者执行视觉刺激分类任务时同时记录的超过 150个人类前颞叶神经元。他们有力地证明了发现了一种新的基于脉冲时间的对象类别或身份的神经代码。这一有趣的概念代表了解答大脑如何编码世界这一基本问题的一步进展。——一位审稿人
背后 故事
我们的问题是神经元序列是否编码语义信息，这一问题源于临床限制、以前的实验、大流行病和一个偶然发现。我们对前颞叶的关注，由参与者的手术需求驱动，塑造了我们对语义处理的初步实验。我们转向更快节奏的基于图像的任务，以便使用机器学习算法，可以在闭环中向记录的神经元提供微刺激。 COVID-19暂停了数据收集，就在一位同事发现人脑皮层中序列回放的现象激发了我们的兴奋4。我们深入研究了部分收集的数据集，寻找检测和解码序列编码的方法。研究中最难的部分是试图将放电率与序列代码联系起来；我们努力测试了之前在啮齿类文献中看到的多种关系。这场斗争导致了我们基于信息的决定，即这两种信息编码机制实际上是独立的，这是一个意外的突破，突显了我们发现的新颖性和重要性。——J.H.W. 和 K.A.Z.
编辑 观点
神经元用于携带和传递信息的编码方案 ——率或时间——是神经科学中长期和激烈的辩论主题。这项研究增添了一个新的转折，提出了一种基于较少可用领域数据的证据——人类单细胞记录——的基于时间的代码。——编辑团队，《自然》
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