研究小组还用更形象化的说法描述了这一过程大脑在自己计算微积分

2022-12-14 14:29

什么你的大脑通过计算微积分来控制快速运动

这一发现来自麻省理工学院的研究团队。

他们认为，大脑并不是通过单一的信号来精确控制高速运动的，而是基于一个复杂的信号处理系统，通过比较抑制和兴奋信号来得到最终的指令。

在论文中，研究小组还用更形象化的说法描述了这一过程——大脑在自己计算微积分。

目前，这项研究已经发表在《细胞报告》上。

有网友看完觉得很神奇。

举个例子，这个说，既然大脑知道如何计算微积分，为什么大学还要学...

而这位，看了研究结论后说:这不是很像PID控制器吗。

那么，科学家如何证明上述结论呢。

大家说说吧。

控制行走和奔跑的机制本身并不难描述——大脑有一个中脑运动区，它向脊髓神经元发送信号。

之后，信号流向腿部肌肉的运动神经元其中，兴奋和抑制信号分别直接控制身体活动和停止

但是当跑步有了目的地，事情就复杂了。

在以前的研究中，生物学家知道目标信号在大脑皮层形成，然后传输到MLR。

但是如何给出精确的指令呢如何控制身体突然停下来这是一个问题

为此，研究人员以老鼠为实验对象，开发了一套实验系统。

他们固定老鼠的头部，通过光遗传学设备控制神经元的激活，同时让老鼠的脚掌踩在跑步机上，给它一个特殊的光图案地标，训练它移动。

如果老鼠能走到地标处并静止1.5s，就能听到奖励声并得到水，然后继续到下一个指定位置。

反之，广播错误提示不喂水，重启任务像这样来回训练

如果老鼠在30分钟内成功停留100次，研究人员将开始研究它的行为模式和信号传递过程。

首先，他们观察了老鼠的运动控制模式。

结果发现，为了更快获得奖励，老鼠会尽可能跑得快，然后在靠近目标的某个位置快速刹车，确保停在正确的位置。

研究人员认为，这一现象证明了老鼠瞬间切换了自己的运动决策模式，并用一组方程来描述这一过程:

基于上述结论和之前的理论研究，研究小组假设大脑皮层次级运动皮层向中央丘脑底核传递的信号，即控制动物运动的M2—STN通路，控制运动的停止。

为此，他们向通道输入信号来激活它。结果证实，老鼠跑向目标时确实提前停下来了，如下图A所示:

虽然M2—STN途径可以控制小鼠停止，但它一直都有效吗。

研究小组通过钙成像技术观察神经元活动的变化。

由此，他们可以直接发现，在地标图案的停止处，通路中的神经元也同步出现停止信号相应的，即使老鼠中途停下来，停止M2—STN通路的信号也没有出现

这说明该通路与小鼠跑向目的地的任务直接相关，而与一般运动的停止无关，视觉输入信号主导系统变化。

此外，科学家们总结了大脑各部分的活动随时间变化的函数，得到了以下曲线:

科研人员对大脑各部分的信号活动功能进行聚合和建模，给出一个区分时间的反馈控制系统。

次级运动皮层的视觉信号被用作输入项目经过STN，MLR等部分，分为激励和抑制两个信号，由系统计算

得到最终的输出项，然后完成对动作的控制:

在该系统的构建中，研究人员指出，大脑的PPN部分连接着多个神经元来驱动运动，因此系统对其进行了微分，以抵消日积月累的积分运算的影响。

科学家认为，基于上述系统，我们的身体可以在短时间内根据输入信号快速切换运动模式，在到达目的地之前准确地在某个位置开启减速刹车，最终停在特定位置。

在队伍后面

最后，见见研究团队。

埃利·亚当博士专注于使用数学方法结合实验工程来研究大脑动力学。

姆里甘卡·苏尔教授是这项研究背后团队的主要领导者。

参考链接: