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如今,互联网是一个感官自由的地方:弹出式广告每隔几段就会跳出文章,用棒棒糖的颜色和音乐偷走屏幕,从看不见的角落大声喊出产品信息。人体也没有什么不同。每个指甲、肘部、鼻孔和眉毛都在不停地争夺大脑的注意力。

“现在,你的小脚趾和身体的每一平方英寸都在向大脑发送信号,”化学、化学生物学和物理学教授亚当·科恩(Adam Cohen)说,“但大部分都没意思。”你的大脑必须忽略所有这些东西,只关注那些真正相关的极少数事情。”

现在,在《细胞》杂志上发表的一篇论文中,科恩和他的同事报告了新的证据,这些证据可以帮助研究人员了解大脑是如何忽略或作用于不同的信息,这些知识可以提供关于神经回路如何运作的关键数据,并在某一天帮助研究人员了解和治疗神经疾病。

科恩并没有打算调查人们的注意力。最近,他的实验室发明了一种技术,可以让人们首次观察到通过活动物大脑神经元传递的电脉冲。他说:“下一步是真正用它做点什么,真正了解大脑是如何工作的。”

首先,他实验室的博士生范琳琳(音译)将他们的技术训练在大脑的顶层。由于光学工具使用光来记录神经元何时放电,他们目前只能研究这一层。“这就像看着你的手,”科恩说。“你只能看到表面,因为光线进入组织的距离很短。尽管如此,一些科学家称第一层是一个“至高无上的谜”。“这是出了名的难学。

传统上,科学家们将超薄的玻璃探针随机插入脑组织,希望能“戳”到神经元,以便记录单个信号。在第一层,细胞太稀疏,这种技术是有效的;这就像在只有几条鱼的大海里钓鱼。因为科恩的技术是将光照射到每个神经元上——就像用声纳看到每条鱼一样——他可以一次定位和分析几条鱼。

当他们的光发生工具记录活老鼠的神经信号时,Cohen和他的团队增加了基于两种主要注意力类型的刺激。首先,他们轻拂老鼠的胡须,激发一个“自下而上”的信号,报告新的感觉信息。然后,他们在老鼠的脸上吹了一股空气,激活了一个“自上而下”的信号,在这个信号中,已有的知识形成了对刺激的感知。科恩解释说:“把它当成是一个警钟。

在拂动触须的实验中,刺激产生了预期的结果:神经元的突起。但是当研究小组用激光人为地刺激同一个神经元,然后加上一个触须,神经元就会安静下来。为什么?研究小组发现,第一层的神经元在兴奋和抑制之间保持着一种谨慎的平衡。如果太多的神经元同时放电,就会抑制其他神经元的放电。“这个电路就像一个新奇的探测器,”科恩说。突然的输入可以激发大多数神经元,但如果输入持续时间较长,大多数神经元会相互抑制,导致电路几乎完全关闭。

空气泡芙——给老鼠敲响了警钟——为这一理论提供了更多的证据。作为对脉冲的反应,少数几个神经元以最快的速度发射信号,最终压制了它们的邻居。如果刺激的力度足够大,在赢家迫使其他神经元安静下来之前,神经元就会全部竖起,争夺支配地位。

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根据他们的数据,研究小组设计了一个电路的数学模型,这个模型与一个关于注意力的百年理论有着有趣的联系。所谓的耶克斯-多德森定律(Yerkes-Dodson law)认为,一点压力有助于提高绩效,但当压力过大时,绩效就会下降。科恩说:“每个参加过测试的人都知道这一点。他的模型显示,第一层神经元的行为方式与此类似:轻微的自上而下的激活会唤醒它们,使它们对感官输入更敏感,但过多的激活会使神经回路冻结,忽略输入的信息。

科恩和他的团队将继续探索第一层回路是如何调节注意力的,希望更多的数据能够提供关于神经回路如何工作的关键信息。

科恩说:“如果我们能够理解胡须反应的工作原理,我们就能更好地理解视觉或听觉等更复杂的事物。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/02/new-evidence-that-shows-how-the-brain-makes-decisions/

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