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大脑|大脑噪音的惊人重要性

大脑|大脑噪音的惊人重要性
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Lenka ime ková
利维坦按：
大脑的运作方式并不是让彼此分离的区域各自担负特定任务 ， 相反 ， 大脑依靠的是多重神经元网络在多个脑区之间架起信息交流的桥梁：一个神经元细胞可以与50000个神经元细胞交流信息 。 而且 ， 某些脑区被切除或功能丧失 ， 也会有其他脑去“接管”其原有功能继续行使任务 。
对于大脑的认知还在不断更新 。 神经元铺设的这个超级信息网络貌似充满了大量无意义的信号 ， 但它们对于我们的行为有着十分重要的作用 。
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神经元无时无刻不在互相“交流” ， 或是轻声低语、或是高声叫喊、或是妙语连珠、或是纵声歌唱 。 于是 ， 大脑便这样充斥着令人头晕目眩的杂音 。 然而 ， 那些声音中有许多似乎根本没有什么意义 。 它们的外在表现更像是噪声的习惯性回声 ， 而非信号；更像是静态的空气振动 ， 而非滔滔不绝的演说 。
自60年前科学家掌握了记录单个神经元的技术之后 ， 他们就知道大脑活动会频繁发生变化 ， 即便没有明显的理由表明大脑应当如此变化 ， 事实依旧如此 。 动物对重复刺激的神经反应差别极大 ， 每次测试都会得到完全不同的结果 ， 并且波动方式似乎完全随机 。 即便在完全没有刺激的情况下 ， “只要记录下大脑的自发活动 ， 就会看到它好像有自己的思想一样 ， ”俄勒冈大学神经科学家大卫·迈克考米克（David McCorMick）说 。
“这就催生了一种观点 ， 认为大脑要么某种程度上非常‘聒噪’ ， 要么使用了某种类型的高级数据程式克服了这些噪声 ， ”他说 。
不过 ， 在过去的10年里 ， 这个观点发生了变化 。 事实逐渐清晰起来：这种所谓的随机性和多变性不仅与大脑神经机制的混乱有关 ， 而且还与像兴奋和压力这样的行为状态有关——也就是一些似乎可以影响感知和决策的状态 。 科学家意识到 ， 大脑中的噪声要比他们之前假定的更有内涵 。
现在 ， 研究人员能用前所未有的细节精度分析小白鼠的神经活动和行为 ， 并且得到了一个能够解释大脑多变性的令人惊喜的答案：整个大脑中 ， 即便是在视觉皮层这样的低级感官区域 ， 神经元编码的信息也要比与它们直接相关的任务多得多 。 它们还会喋喋不休地讨论这只小白鼠的其他行为 ， 即便是极为琐碎的那些也不放过——比如胡须的颤动、后腿的摆动 。
那些简单的动作不仅体现在神经活动中 ， 而且是完全占据了各类神经活动 。
这些发现正在改变科学家诠释大脑活动以及涉及实验研究大脑活动的方式 。
一个优雅但过时了的故事
大多数神经科学家都习惯在实验中使用麻醉了的动物 ， 这个习惯一直延续到大约10年前 。 这种方法让他们在理解大脑工作机制方面取得了惊人的成就 ， 但也“导致了高度扭曲的对神经元加工机制的看法” ， 加州大学圣地亚哥分校的神经物理学家大卫·克莱恩菲尔德（David Kleinfeld）说 。
这在视觉研究中是一个极大的缺陷 ， 因为用到的麻醉程度常常高到足以令我们怀疑这些昏昏沉沉（或者说无意识）的动物是否还能在主观上有意识地看到东西 。 至少 ， 麻醉剥离了任何可能影响视觉处理过程的真实框架或环境 。
结果就是 ， 研究人员得到了一幅描述视觉工作机制的特定图景 。 在这个图景中 ， 眼睛发出的信号穿过了各种被动神经过滤器 ， 而这些过滤器创造了愈加专门化和复杂化的环境表征 。 视觉表征只在这个过程的后续阶段才与来自其他感官和大脑区域的信息整合到一起 。
“我们很想把初级感官区域看作能够真实记录这个世界所发生之事的照相机 ， ”纽约冷泉港实验室神经科学家安妮·丘奇兰（Anne Churchland）说 。 然而 ， 无论这种视觉模型有多优雅精致 ， 已经有无数证据证明它还是过于简单了 。
大脑中充斥着各种反馈回路 ， 因而具备了高度互联性 。 高级皮质区域通过这些反馈回路同低级区域对话 。 研究人员在几十年的研究中逐渐发现 ， 每个大脑区域的“专业化”程度都要小于我们给它们贴上的标签 ， 例如：盲人或视力受损者的视觉皮层能够处理听觉和触觉信息 。 最近的研究发现 ， 躯体感觉皮质（而非运动皮质）在我们学习以运动为基础的技能的过程中发挥了重要作用 。 此外 ， 像注意力、期望或动力这样的更广泛的动力会影响人们的感知方式 。
（journals.plos.org/plosbiology/article/authors?id=10.1371/journal.pbio.3000469）
即便是在黑暗之中 ， 视觉皮层神经元也仍在窃窃私语 。
不过 ， 到了2010年的时候 ， 事情变得更加奇怪了 。 几年前刚发展出来的新实验方法让我们得以记录在踏车小球上奔跑的小白鼠的神经元 。 加州大学旧金山分校的神经科学家迈克尔·斯特赖克（Michael Stryker）和克里斯·尼尔（Cris Niell）最初决定运用这些技术比较被麻醉的昏睡小白鼠和那些跑动着或静止不动的小白鼠的视觉活动 。 （自那之后 ， 尼尔就转到了俄勒冈大学 。 ）
（www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627310000590?via%3Dihub）
大脑|大脑噪音的惊人重要性
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俄勒冈大学神经科学家克里斯·尼尔运用一个自制的成像系统和球形踏车测量小白鼠跑步时的神经活动 。Courtesy of University of Oregon
不过 ， 他俩很快就意识到还可以作一个更有趣的比较 。 “我们本来想要研究清醒的小白鼠和被麻醉的小白鼠视觉活动之间的区别 ， ”尼尔说 ， “但让我们惊讶的却是小白鼠清醒时运动与静止状态下的各方面表现如此不同 。 ”他们发现 ， 当小白鼠奔跑时 ， 它对视觉刺激的回应就变得更为强烈了：神经元的激活率增加了一倍——相当令人震惊 ， 因为在之前的研究中 ， 即便是要求人类或猴子完成涉及高度视觉注意力的任务时 ， 神经元的激活率也没有这么高 。 小白鼠一停下来 ， 这种效应就消失了 。
“这真的很令人惊讶 ， 因为我们之前一直认为初级视觉皮层就是一个纯粹的感官区域 ， ”丘奇兰说 。
当时 ， 斯特赖克和尼尔根据之前有关注意力和驱动力方面的研究结果很自然地认为 ， 这些现象反映了小白鼠的行为变化 ， 也即当它开始运动时 ， 神经活动从非活跃模式到活跃模式的转变 。 后续几年其他实验室的研究证实了一般程度的兴奋就能大幅改变神经反应 。 例如 ， 2015年 ， 迈克考米克和他的同事报告说 ， 可以通过小白鼠对某项任务的投入程度预测它的执行效果 。 同年 ， 神经科学家杰西卡·卡尔丁（Jessica Cardin）和她在耶鲁大学的团队开始研究奔跑和兴奋对视觉皮层活动的影响 。
（www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627315004778?via%3Dihub）
然而 ， 上述所有实验都受到了两方面的限制：一是他们单次记录的神经元数量有限；二是他们能够解释的行为变量有限 。 仅以小白鼠是动是静或者瞳孔是否放大（研究人员把瞳孔放大视作小白鼠兴奋的表征）为依据的大脑活动变化研究只能解释神经活动多变性的冰山一角 。 我们仍旧需要更完备的解释 。
现在 ， 一些研究小组已经通过对动物行为和大脑活动更全面的研究提供了这样的解释 。
在大脑万花筒中找到感官
伦敦大学学院神经科学家肯尼斯·哈里斯（Kenneth Harris）和马特奥·卡兰蒂尼（Matteo Carandini）则从另一个目标出发 ， 开始了研究：研究这些啮齿动物的视觉皮层自发活动在没有视觉刺激情况下的结构 。 他们和该大学皮质实验室的联合团队一次记录了小白鼠大脑中的10000个神经元 。 这些小白鼠可以在黑暗中做任何它们想做的事：奔跑、嗅闻、清洁自身、四处观察、抽动胡须、拉平耳朵 ， 等等 。
（www.ucl.ac.uk/cortexlab/）
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弗吉尼亚霍华德·休斯医疗研究所珍妮莉亚研究园区神经科学家马吕斯·帕奇塔里乌 。Matt Staley/Janelia Research Campus
研究人员发现 ， 即便小白鼠没有看到任何东西 ， 它们视觉皮层的活动还是非常活跃且涉及范围广泛得令人震惊 ， 这意味着这个区域正在编码大量信息 。 神经元不仅在窃窃私语 ， 而且“还同时展开了许多对话” ， 伦敦大学学院皮质实验室博士后、现弗吉尼亚霍华德·休斯医疗研究所珍妮莉亚研究园区神经科学家马吕斯·帕奇塔里乌（Marius Pachitariu）如是说 。
起初 ， 科学家并不确定要如何解释这个现象 ， 所以 ， 他们试图将小白鼠大脑活动同他们每时每刻都在做的事联系起来以解释这种“对话” 。 他们拍摄了每只小白鼠的脸部视频 ， 一帧一帧地分析它们的运动 ， 重点不仅囊括跑步速度或瞳孔直径这样的单方面行为 ， 还涉及了包含最微小的抽搐在内的所有可能解释神经活动多样性的行为 。
事实证明 ， 这些不起眼的小动作能够解释小白鼠视觉皮层活动的至少三分之一——这些活动之前全都被归为噪音 ， 大致与视觉输入能够引起的典型活动频率相当 。 “我们把大脑的这个部分叫作视觉皮层 ， 因此 ， 你会觉得它处理的都是视觉信息 ， ”哈里斯说 ， “它当然会处理视觉信息 ， 但至少也会涉及很多与视觉无关的活动 。 ”
（science.sciencemag.org/content/364/6437/eaav7893）
“如果我们把小白鼠看作一个整体 ， ”迈克考米克说：“大脑中那些万花筒般的丰富活动就都说得通了 。 ”（他和他的实验室在最近的一篇论文预印本中报告了类似的发现 。 ）这些活动不仅反映了小白鼠警觉或兴奋的一般状态 ， 或者这种小动物正在运动的事实 。 视觉皮层明确知道小白鼠此时此刻究竟在干什么 ， 精准到每一个动作的每一个细节 。
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研究人员研究了小白鼠视觉皮层中10000多个神经元的自发活动 ， 他们惊讶地发现神经元内充斥着大量无关运动的信息 。 上图就是实验中的图像 ， 神经元发出信号时会闪光 。 四个小图像监控的是皮层组织中不同深度的神经元情况 。Courtesy of Marius Pachitariu and Carsen Stringer
实际上 ， 这并不是视觉皮层独有的特点 。 “大脑中的所有区域都会出现这个现象 。 运动信号不可能出错 ， ”没有参与这个项目的俄勒冈大学系统神经科学家马特·斯米尔（Matt Smear）说 。 它巩固了这样一个观点：“某些关于大脑的直觉概念很可能错误 。 ”
更令人惊讶的是 ， 那些编码感官信息或其他功能信息的神经元也同样编码了这些运动信号 。 “这样一来 ， 我们就必须改口这么说了 ， ‘等等——或许大脑内部并不聒噪 。 他或许要比我们之前认为的精确得多’ ， ”迈克考米克说 。
皮质实验室2019年4月发表在《科学》（Science）期刊上的发现证明 ， 神经科学家需要反思他们诠释动物神经反应的方式 。 （尼尔指出 ， 在人类功能性磁共振研究中观察到的大量变化现象也可以用随机躁动来解释 ， 而非噪声或任何与所研究的任务相关的缘由 。 ）“举个例子 ， 每当小白鼠跑起来时 ， 我们会在它正式开始奔跑之前就在神经元中发现相关信号 ， ”霍华德·休斯医疗研究所珍妮莉亚研究园区的博士后研究员卡森·斯金格（Carsen Stringer ， 她在皮质实验室完成了博士工作）说 ， “于是 ， 我们就会想 ， ‘或许这就是小白鼠想要奔跑了’ 。 但实际上 ， 这是小白鼠在奔跑前有节奏地前后摆动它的胡须 。 ”
不过 ， 这些神经信号又是在干什么 ， 它们为什么又这么重要呢？
行为影响下的感官
如果一个系统中的所有神经元都一次传输大量活动的信息 ， 那这个系统似乎就会复杂得难以生效 ， 但皮质实验室团队发现 ， 大脑处理所有这些信息的难度远小于我们之前的观点 。
他们的分析表明 ， 刺激出现后 ， 新信息就会直接叠加在已经存在的与运动相关的信号顶部 。 单个神经元中 ， 这些信号混杂在一起 ， 根本无法分辨 。 不过 ， 不同神经元可以传递源于相同刺激但背景不同的行为 ， 因此 ， 如果记录了足够多的神经元 ， 就可能区分视觉信号和运动信号 。
因此 ， 运动信号并不会损害小白鼠处理有关外部世界感官信息的能力 。 不过 ， 科学家仍旧需要研究这些信号究竟是怎么促进大脑工作效率的 。 这项发现的核心反映了这样一个事实：大脑从本质上就是为了运动才进化出现成这个样子的——小白鼠的大脑是为了它们更好地四处奔跑而存在的 ， 并且“感知并不仅仅是外部输入 ， ”斯金格说 ， “无论何时 ， 它都至少在某种程度上受你正在做的事情的影响 。 ”
（www.biorxiv.org/content/10.1101/679324v1）
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弗吉尼亚霍华德·休斯医疗研究所珍妮莉亚研究园区神经科学家卡森·斯金格 。Matt Staley/Janelia Research Campus
感官信息只代表了真正感知外部环境所需信息的一小部分 。 “要想知道究竟发生了什么 ， 你还得考虑运动 ， 考虑你与世界之间的关系 ， ”尼尔说 。
“我们之前总是认为 ， 大脑总是分别处理这些事情 ， 然后再通过某种方式把处理结果整合起来 ， ”迈克考米克说 ， “我们现在开始了解 ， 大脑混合多感官信息和运动信息的时间也比我们之前想象的更早 。 ”
要想把新感官信息置于相关环境中并加以诠释 ， 就必须掌握身体的运动方式 。 如果你在跑步 ， 看到的景物就会飞逝而过 ， 而视觉皮层就需要知道这个画面是由你的运动驱动的 。 如果你绕着一个纪念碑不停走 ， 那视觉皮层就得知道你看到的并不是20个不同的雕塑 ， 而是从20种角度看到的同一个雕塑 。
“在这场变化多端的风暴中 ， 锚点在哪里呢？”迈克考米克说 ， “这就是为什么我觉得最近的这项工作很有趣且很重要 ， 因为我们开始了解这个锚点了 。 ”
“我们的大脑并不只是在脑袋里思考 ， 它还会和我们的身体以及我们在这个世界中的运动方式互动 ， ”尼尔说 ， “你会想 ， ‘哦 ， 我只是在思考’或者‘我只是看到了这样东西’ ， 但不会想到自己的身体也在这个思考中发挥了作用 。 ”因此 ， 小白鼠需要在大脑处理信息的更早阶段就整合运动信号这种现象就说得通了——尽管我们仍然不清楚胡须的运动究竟是怎么影响视觉的 。
实际上 ， 事情还不止如此 。 这种整合有可能会促进所谓的主动传感——动物根据它想要感知和发现的信息主动协调自己的运动 。 斯米尔目前正在研究嗅觉方面的主动传感 。 他和同事们发现 ， 小白鼠总是能以高得令人惊奇的准确度让自己的许多动作与嗅闻（嗅闻是它们收集气味的主要方式）节奏同步 。
更令人感兴趣的是 ， 这样的主动协调还有助于学习 。
更深远的意义
哈里斯、斯金格和同事们提出了这样一种假设：感官信息和运动信息的结合创造了一种心灵框架 ， 强化学习就能在这个框架中展开：如果一个特定的动作和刺激组合与某种显著结果相关——比如得到奖励或者发现自己处于危险之中——那么这种二元神经编码机制就有助于这种动物下一次面临类似刺激时对结果作出预测并据此作出相应动作 。
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在上述所有小白鼠大脑扫描图中 ， 单种运动或行为——比如舔舐、胡须抽动或瞳孔放大——都能解释整个大脑皮层神经活动的巨大变化 。 即便是大脑中具有特定功能的区域也会处理各种物理行为或状态产生的神经信号 。Courtesy of Anne Churchland
丘奇兰提出 ， 动作信号或许会以一种更加具体的方式促进动物学习 。 2019年9月 ， 丘奇兰和她实验室的博士后研究院西蒙·穆萨尔（Simon Musall）以及她俩的同事发表了一项实验结果 。 他们在实验中监测了正在执行任务的小白鼠大脑 。 在这项实验中 ， 小白鼠必须抓住一个手柄才能正式开始实验 ， 然后通过舔舐的方式“汇报”决定 。
实验结果显示 ， 即便小白鼠专注于自己的任务目标 ， 它们的神经活动也会持续出现大量与当年任务似乎无关的琐碎动作信息 。 “我们在小白鼠大脑中发现的大部分神经活动都与它们在任务中面临的决策无关 ， ”丘奇兰说 ， “这反映了小白鼠当时正在做的其他动作 。 ”
没有亲身参与该研究的尼尔则表示：“真正让我们震撼的地方是 ， 即便小白鼠正在执行的是那种在我们看来纯粹只与视觉相关的任务 ， 它们的大脑中都充斥着这些无关运动信号 。 ”
丘奇兰和她的团队还发现 ， 小白鼠受过训练后 ， 它们就会有更多与当前任务相关的动作 。 例如 ， 小白鼠起初会随意摆动胡须 ， 但在受过训练之后 ， 胡须就会在特定情况下摆动——比如出现了某种刺激或者得到了某种奖励——即便摆动胡须这个行为本身与当前任务涉及的奖励或训练无关 。
丘奇兰怀疑 ， 这类信号或许有助于动物做决策——“或许对于它们来说 ， 这就是决策过程的一部分 ， ”她说 ， “或许动物和人类一样 ， 思考和决策在某些方面就意味着运动 。 ”她把这个现象比作棒球运动员上场击球前经常会做的各种小仪式 ， “这让我好奇这类神经信号躁动是否还有更深远的意义 。 ”
我们的大脑并不只是在脑袋里思考 。 它还会和我们的身体以及我们在这个世界中的运动方式互动 。
“人们常常会把运动和认知割裂开来看——甚至认为运动会干扰认知 ， ”丘奇兰说 ， “在得到了上述研究结果之后 ， 我们认为 ， 应该改变想法了：至少对某些主体来说 ， 运动真的就是认知的一部分 。 ”
当然 ， 就目前而言 ， “某些主体”指的主要就是啮齿动物 。 科学家现在正在开展其他实验以验证这种运动和认知的整合是否也会以类似的方式在灵长类动物（包括人类）身上普遍出现 。
不过 ， 研究人员一致认为 ， 这方面的工作预示着他们日后开展感知实验的方式必然会发生变化——也就是说 ， 这些工作证明了 ， 即便是认知研究人员 ， 也应该多多关注行为方面的事宜 。
放弃控制
到目前为止 ， 神经科学家走的还是一条比较简单的路 。 我们了解的很多有关神经活动的内容都首先来自麻醉动物的研究记录以及随后动物在某种限制条件下四处运动相关记录 。 这些实验本身也有局限性 。 尼尔把它描述为“视力检查”模型 。
“你去找验光师后 ， 会坐在那儿回答：水平、垂直、看得清、看不清、E、A、T等等 ， ”他说 。 然而 ， 那种抽象实验并不能代表我们在生活中遇到的寻常情况 。 “我们的大脑进化成现在这个样子 ， 并不是为了让我们端坐在那儿 ， 然后被动地看某样东西却什么都不做 。 ”
即便是哈里斯和丘奇兰团队的这些新研究也会保持小白鼠的头部静止不动以便从其大脑中读取数据 。 “如果在这只小动物（大脑）不能运动的时候 ， 它的脑袋都充斥着运动信号 ， 那么等到它开始运动时 ， 情况又会怎么样呢？”斯米尔说 。
科学家现在提倡运用其他方法进一步研究动物的自然行为——那种源于直觉、未经训练的行为 。 当然 ， 这样的方法也会带来很多挑战 ， 例如：在放弃控制各种变量的环境下 ， 要想找到各种现象之间的因果关系就更难了 。
尽管如此 ， 尼尔也已经开始研究运用视力捕捉并食用蟋蟀的小白鼠了 。 “这项任务要求小白鼠大脑整合各种信息 ， 且它们在做这个任务时必须移动 ， 因此 ， 它们就不得不把运动和看到的东西联系起来 。 ”他和同事们现在已经发现 ， 之前已经发现的某些特定类型的神经元在捕猎行动中起到了精确行为的作用 。
“之前在我们看来奇怪或不同寻常的信号 ， ”尼尔说 ， “在你让这些动物做它们通常就会做的事时可能就会显露出意义 。 此外 ， 不要把小白鼠训练成迷你型人类 。 ”
迈克考米克也同意这种观点 。 “我们之前对大脑的认识十分浅陋 ， ”他说 ， “我不能说现在的这种观点就很完美 ， 但……至少我们的认识已经丰富起来了 ， 当然之后还需要在这个基础上不断进步 。 ”
文/Jordana Cepelewicz
译/乔琦
校对/兔子的凌波微步
原文/www.quantamagazine.org/noise-in-the-brains-vision-areas-encodes-body-movements-20191107/
本文基于创作共同协议（BY-NC） ， 由乔琦在利维坦发布
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