Самый одинокий нейрон

Почему не каждый нейрон знает обо всем?

Вот он, самый одинокий нейрон. Нейрон, который находится дальше всего от внешнего мира. Дальше от ваших чувств; дальше всего от выходов к мышцам. Он никогда не узнает вкус холодного пива, запах розы, темно-красный почтовый ящик, прикосновение детской руки. Он никогда не будет бегать, танцевать, прыгать или плавать.

Но он получит далекие отголоски всего этого. Он соединит их вместе, чтобы составить для вас картину мира. Самые одинокие нейроны знают все.

Однако ни одна часть мозга не существует изолированно от остального. Все это одна гигантская подключенная система. Как мой кабель для наушников (серьезно, где конец этого узла?). Так куда же самые одинокие нейроны отправляют свои картины мира? Они говорят нам, что, возможно, самый большой вопрос в неврологии:

Почему не каждый нейрон знает обо всем?

Посмотри. В задней части нашей сетчатки находится сложная цепь из фоторецепторов, которые звонят, когда фотон попадает в них, которые щекочут несколько слоев нейронов в жизнь, которые затем передают свой сигнал остальной части мозга (подключенной в обратном направлении, с нейронами). сидеть перед фоторецепторами, как пытаться смотреть телевизор с проводами, свисающими перед экраном). Сразу же сигнал расщепляется, часть идет до первой «зрительной» коры, часть - до ствола мозга. От этих первых промежуточных станций сигнал распространяется дальше, глубже в кору, глубже в мозг. По мере того, как мы движемся вперед от вашей сетчатки, мы продвигаемся глубоко в ваш мозг, от нейрона к нейрону к нейрону.

Возьмите свой телефон. Мышцы руки и плеча по-разному сокращаются и расслабляются, чтобы переместить руку с того места, где она была, туда, где находится ваш телефон. Нейроны спинного мозга напрямую соединяются с этими мышцами; запуск этих нейронов сокращает мышцу. За этими нейронами находятся другие нейроны спинного мозга; далее за ними - нейроны в стволе мозга и моторной коре. Когда мы отталкиваемся от мышц, мы движемся вверх и через ваш мозг, от нейрона к нейрону к нейрону.

И где-то мы попадаем в самые одинокие нейроны. Нейроны больше всех идут вперед от чувств; наибольшее количество шагов назад от мускулов. Но они связаны с ними. В конце концов, им всем. Разве это не означает, что мы обнаруживаем, что активность самых одиноких нейронов связана со всем?

Да. Самые одинокие нейроны вполне могут находиться где-то в самом темном углу префронтальной коры - скажем, в инфралимбической - на много ступенек, удаленных от областей коры, которые получают прямой сигнал от органов чувств или разговаривают с нейронами спинного мозга. Тем не менее, нейронная активность в префронтальной коре, кажется, знает обо всем. Там нейроны могут менять свою активность в зависимости от прошлого (память) и будущего (предстоящие решения); цвету и движению предметов в мире; туда, где сейчас животное. Некоторые, а возможно, и большинство нейронов префронтальной коры даже реагируют на комбинации этих факторов.

Или же самые одинокие нейроны вполне могут находиться в слабо видном бледном шаре - бледном шаре нейронов, спрятанном под полосатым телом и достигающим своими усиками во всех других ядрах базальных ганглиев. Далеко-далеко от чувств и движения. Однако нейроны здесь имеют разную активность в зависимости от того, как рука собирается двигаться; и по-разному реагировать на получение награды, когда ее нет.

Где бы они ни были, когда мы регистрируем активность самых одиноких нейронов, мы действительно видим, что они реагируют как на сенсорные, так и на двигательные события, как на прошлое, так и на будущее.

На первый взгляд, самые одинокие нейроны хорошо вписываются в нашу древнюю, зашоренную идею о том, что ваш мозг разделен примерно на три части: сенсорные системы, передающие информацию; двигательные системы, которые заставляют вещи происходить; и биты «ассоциации», связывающие их вместе. Такое мировоззрение, которое мы преподаем медикам на уроках нейроанатомии. (Экзаменатор входит в анатомический театр и прикрепляет маленький флажок к случайному кусочку засоленного серого вещества, крутится вокруг и лает классу: «Что это такое и что он делает?» Класс бормочет что-то о моторной коре и контроль конечностей Фактический ответ: у нас меньше представления о исчислении, чем у чайника, но медикам не разрешается это признавать).

Но самый одинокий нейрон говорит нам, что это деление в корне неверно. Ведь как только мы переходим в собственно мозг, вдали от органов чувств и их особых нейронов, не существует нейрона, который в конечном итоге не соединялся бы друг с другом. Мы можем взять любой нейрон наугад и, перескочив связи от этого нейрона к следующему, к следующему и так далее, и дальше, мы можем оказаться на любом другом нейроне в мозге. Мы можем проследить путь от любого смысла к любому нейрону; от любого нейрона к любой мышце.

Мы можем перейти от самого одинокого нейрона к любому другому нейрону. Мы можем вернуться к нейронам в той первой части коры, которая видит; вплоть до нейронов спинного мозга. Если мы сможем проследить путь от спинного мозга до зрительной коры; от глаза до моторной коры; от префронтальной коры до ... ну, повсюду кровавые - тогда разве мы не должны видеть, что активность нейронов повсюду связана со всем?

Мы оказались здесь в тупике, потому что интерпретируем наши записи мозга на основе нашего древнего трехчастного фрагмента мозга. Мы ищем сенсорные реакции в нейронах внутри обозначенной сенсорной системы; для активности, которая предшествует движению нейронов в обозначенной двигательной системе; и для сложных комбинаций вещей, соединяющих прошлое с будущим, в активности нейронов в системе ассоциаций. Обычно мы не ищем двигательные реакции в сенсорных областях, и наоборот. Потому что в учебнике об этом не упоминалось.

Но по мере развития технологии записи мы случайно стали записывать все больше и больше областей, отличных от классических. По мере развития лабораторных технологий мы начали помещать животных в виртуальные миры, где они могут бегать, видеть и касаться одновременно, в то время как мы записываем множество нейронов из их мозга. И мы замечаем вещи. Странные вещи. Совсем недавно мы увидели, что ходьба изменяет активность первичной зрительной коры; эта деятельность там также заменяется ожидаемым вознаграждением; мы наблюдали активность в отношении ошибки, сделанной в предсказании вознаграждения в вызывающе двигательной системе мозжечка; мы видели движение, контролируемое дофаминовыми нейронами вызывающе награждающей системы. Все это явные намеки на то, что да, сигналы идут повсюду, приходят отовсюду.

Еще больше впереди. Намного больше. Мы вот-вот вступим в эпоху, когда лаборатории обычно записывают с разных уровней мозга одновременно. Не только кора головного мозга, или просто бледный шар, или что-то еще; но одновременно через части переднего, среднего и заднего мозга. Таким образом, в этих лабораториях будут записи от части мозга, наиболее интересной для этой лаборатории; а также случайно из многих других частей мозга.

И мы обнаружим, что в большинстве областей, из которых мы ведем запись, будут нейроны, которые активируются специально для того, что мы делаем (мигает светом, воспроизводит звук) или что животное делает (облизывает, бежит, поворачивается и т. Д.). Не только туда, куда мы раньше смотрели, но и повсюду, и примерно в одно и то же время. Я думаю, что эти записи заставят нас глубоко задуматься о том, что мы подразумеваем под «нейронным кодированием».

Возможно, мы неправильно ответили на основные вопросы нейронного кодирования. Возможно, нам не следует спрашивать, представляет ли каждый нейрон что-то одно. Если этот конкретный нейрон знает об этой вспышке света. Или этот знает, что вы собираетесь ударить по футбольному мячу (плохо, потом упадете). Или этот нейрон знает о кремовом торте, который вы спрятали в задней части холодильника, хитро заслоненном тыквой, которую вы туда положили, потому что он явно ничего не скрывает, нет. Ибо, если мы можем проследить путь от каждого нейрона к каждому другому и если мы видим проблески нейронов повсюду, реагирующих на вещи, о которых мы даже не подозревали, тогда, возможно, следует задать вопрос: почему многие нейроны кажутся не отвечать на все. Что разделяет информацию в мозгу?

На ум приходят два механизма; несомненно, есть и другие. Во-первых, цепочка шагов от нейрона к нейрону заканчивается нейромодуляцией. Дофаминовые нейроны - маленькие нервные ублюдки, которые отключаются от активности каждый раз, когда происходит что-то хоть сколько-нибудь удивительное. Они выделяют дофамин в большом объеме мозга, где он напрямую не вызывает большей активности. Скорее, он увеличивает или снижает то, насколько другой нейрон реагирует на его входные данные (он модулирует нейрон); он также может контролировать, изменяются ли входные данные этого нейрона в силе. Таким образом, информация, содержащаяся в активности дофаминовых нейронов, не передается напрямую, а вместо этого используется для контроля активности других нейронов. Другие нейромодуляторы, такие как серотонин, работают таким же образом.

Другой механизм заключается в том, что цепочка шагов от нейрона к нейрону заканчивается структурой мозга, которая специализируется на ингибировании. Таким образом, вместо того, чтобы передавать сигнал, нейроны в этой части мозга инвертируют его, превращают в торможение, так что большая часть этого сигнала превращается в меньший сигнал в своих целях. Или, более кратко, подавление - это то, что разделяет информацию, предотвращая ее появление где-то еще. Сигнал «это нужно знать, и тебе не нужно знать, приятель».

Самый одинокий нейрон
На перекрестке моих мыслей
О чем ты думаешь?

У нас есть веские основания полагать, что мозг - по крайней мере, сложный мозг - строит модель мира. То, что активность нейронов представляет собой текущее лучшее предположение мозга о том, что происходит снаружи, прогноз мозга о текущем состоянии мира. Одна из причин, по которой мы думаем, что мозг делает предсказания, заключается в том, что огромное количество сенсорной и двигательной информации, доступной мозгу в любой момент времени, слишком велико, чтобы ее можно было использовать. Таким образом, вместо этого выполняется выборка, и эта выборка используется для обновления прогнозов, когда они не соответствуют тому, что говорят образцы.

(Классическим примером построения модели мозга является слепое пятно: участок сетчатки, у которого нет рецепторов, потому что именно здесь ваш зрительный нерв выходит из сетчатки, чтобы говорить с остальной частью мозга. мир, на который указывает ваше слепое пятно, из комбинации мозговой экстраполяции того, что окружающие рецепторы могут видеть, и того, что другой глаз может видеть в этой области пространства. Да, действительно: пройдите тест)

Разделенное на части представление о мозге подразумевает, что эта модель мира питается отдельными потоками информации. Что из ваших глаз идет поток информации, проходящий через зрительные части коры головного мозга. Еще один поток из ваших ушей через слуховую кору. Другой - от вашей кожи, вашего прикосновения, через соматосенсорную кору. И так далее. Если бы это было так, то самые одинокие нейроны были бы там, где эти потоки сходятся. Они будут Хранителями Модели.

А потом как-то отправляли свои предсказания обратно по потокам, разделенным: «ты, зрение - вот что скоро будет с глазами». Действительно ли существуют отдельные модели для зрения в зрительной коре и звука в слуховой коре, а также для входа куда-нибудь?

Несомненно, самые одинокие нейроны, вероятно, играют ключевую роль в построении Модели. Но если мы сможем перейти от самых одиноких нейронов обратно к любому другому нейрону, то не будет ли мозг лишь одной большой моделью?

Ибо если зрение знает о звуке, а звук знает о поворотах, а движение руки знает о зрении, тогда чертовски легче поднять кипящую чашку чая, которую ваша мама поставила на стол рядом с вами, не ошпарив себя. глупый. И за это мы все можем быть благодарны.

Хотите еще? Следуйте за нами в The Spike

Twitter: @ markdhumphries