感覺皮層動力學特徵研究

2020-12-01 科學網

感覺皮層動力學特徵研究

作者：

小柯機器人

發布時間：2020/8/11 18:53:36

英國劍橋大學Rodrigo Echeveste研究團隊近日取得一項新成果。他們檢測了針對基於採樣的概率推理進行優化的循環迴路中類皮質動力學。相關論文於2020年8月10日發表於《自然-神經科學》。

他們通過訓練視覺皮質超柱的循環興奮性-抑制性神經迴路模型來進行基於採樣的概率推斷，從而開發出針對這些現象的統一模型。經過優化的網絡顯示了幾個關鍵的生物學特性，包括分裂歸一化和刺激調製的噪聲可變性，刺激開始時抑制為主的瞬變以及強烈的伽馬振蕩。這些動力學特徵在加快推理速度和做出預測方面具有獨特的功能，他們在對清醒猴子的錄音進行再分析後證實了這一預測。

他們的結果表明，皮質動力學的基本圖案是有效執行相同計算功能的結果（基於快速採樣的推斷），並預測了這些圖案的進一步特性，可以在未來的實驗中進行測試。

據介紹，感覺皮層表現出一系列普遍存在的動力學特徵，例如持續的噪聲可變性、瞬態過衝和振蕩，到目前為止，這些動力學特徵已經擺脫了常見的、原則性的理論解釋。

附：英文原文 

Title: Cortical-like dynamics in recurrent circuits optimized for sampling-based probabilistic inference

Author: Rodrigo Echeveste, Laurence Aitchison, Guillaume Hennequin, Mt Lengyel

Issue&Volume: 2020-08-10

Abstract: Sensory cortices display a suite of ubiquitous dynamical features, such as ongoing noise variability, transient overshoots and oscillations, that have so far escaped a common, principled theoretical account. We developed a unifying model for these phenomena by training a recurrent excitatory–inhibitory neural circuit model of a visual cortical hypercolumn to perform sampling-based probabilistic inference. The optimized network displayed several key biological properties, including divisive normalization and stimulus-modulated noise variability, inhibition-dominated transients at stimulus onset and strong gamma oscillations. These dynamical features had distinct functional roles in speeding up inferences and made predictions that we confirmed in novel analyses of recordings from awake monkeys. Our results suggest that the basic motifs of cortical dynamics emerge as a consequence of the efficient implementation of the same computational function—fast sampling-based inference—and predict further properties of these motifs that can be tested in future experiments.

DOI: 10.1038/s41593-020-0671-1

Source: https://www.nature.com/articles/s41593-020-0671-1

相關焦點

  • 《科學》:次級感覺皮層有助於儲存情感記憶
    當人們聞到兒時在廚房中聞到的氣味，在老照片中看到家人或朋友，觸摸一件舊衣服，聽一首老歌……這些感官體驗都可以喚起記憶。
  • 感覺皮層實質性參與工作記憶的信息保存
    來源：腦智卓越創新中心 中科院神經科學研究所7月17日，《eLife》期刊在線發表了題為《感覺皮層實質性參與工作記憶的信息保存》的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室李澄宇研究組完成，助理研究員張曉醒、博士研究生嚴文君為該論文共同第一作者。大腦的一項重要的認知功能是在數秒的時間範圍裡保存信息並對其進行加工操作，這一「保存、操作」的功能被稱為工作記憶。
  • Nature | 視皮層神經元方向選擇性的空間連接特徵
    此前有多項研究證明，在初級視皮層，皮層2/3層神經元對刺激的方向定位被認為與具有相似選擇性的皮層內信息輸入有關【1-4】，然而，單個神經元的興奮性輸入可有多個刺激偏好性，其抑制性輸入也可多種多樣且可不具有選擇性。
  • 運動皮層的神經元種群動態因伸握行為的不同而不同
    赴美看病服務機構和生元國際了解到，芝加哥大學(University of Chicago)研究人員的一項新研究發現，在觸摸和抓握行為中，運動皮層中的神經元數量動態變化非常不同，這挑戰了一個流行的理論，即內在的動態模式控制著運動行為。
  • 研究揭示聽覺皮層編碼聽覺認知的新機制
    該研究通過在頭部固定小鼠中建立一套聽覺相關的抉擇行為任務，同時使用雙光子成像技術記錄清醒小鼠的聽覺皮層第2/3層群體神經元的反應，解析了對感覺信息進行範疇化（categorization）的皮層神經元群體運算機制。負責該項目的研究人員對皮層大量神經元活動進行記錄和統計分析，發現在聽覺皮層中存在範疇抉擇相關的單細胞反應，並且，聽覺皮層神經元的信息編碼會根據任務需要發生動態變化。
  • 描述非晶材料動力學特徵的新參量
    由於非晶合金長程無序的結構特徵以及和時間相關的動力學特徵，很難用經典的固體理論和模型來描述非晶態材料的特徵。基於非晶形成液體的粘度對溫度變化響應的不同，Angell定義了動力學脆性參數m，通過這個參數，把非晶合金分成strong和fragile兩大類。同時，實驗和模擬發現，動力學脆性和非晶合金的動力學、結構非均勻性、能量地圖的拓撲結構有關。
  • 皮層發育研究取得進展
    從以小鼠為代表的平滑型大腦到以人為代表的具有複雜溝回結構的大腦，其中的神經細胞均來自於神經幹細胞，神經幹細胞的多樣性和異質性一直是神經生物學家研究的熱點之一。闡明大腦神經幹細胞的特性和調控機制能夠為神經系統疾病，特別是神經退行性疾病的治療提供必要的研究基礎和新的思路。
  • 研究揭示海馬和前額葉皮層的抽象幾何
    研究揭示海馬和前額葉皮層的抽象幾何 作者：小柯機器人 發布時間：2020/10/15 16:24:38 美國哥倫比亞大學C.
  • 研究揭示了腦電波是如何控制大腦皮層的信息流的
    赴美治療服務機構和生元國際了解到，為了產生思想和行動，大腦在表層(即大腦皮層)的一系列區域中處理信息，從對傳入的感覺進行基本分析的「較低」區域，到為使用新發現的知識制定計劃的「較高」執行區域。通過測量和分析成千上萬的神經元和周圍的電場在動物三個皮層區域,團隊的最新研究在《認知神經科學雜誌》上提供一個統一的視圖的腦電波,振蕩模式的腦細胞的活動,可能會在大腦皮層控制信息的流動。
  • 軟物質表面浸潤動力學研究取得進展
    現實生活中，流體界面在固體表面的運動普遍存在，其涉及氣-液-固三相物質間的相互作用和三相接觸線的動力學行為，是力學、物理、材料等學科致力解決的基礎性問題之一。三相接觸線在非理想表面運動時通常呈粘滑運動（釘扎-脫釘）特徵，該動力學特徵存在於各種失衡的無序系統中，如磁疇壁和渦旋線的動力學、固體摩擦、晶體和玻璃態材料的塑性變形、斷層地震和雪崩現象等。
  • PNAS:新技術助力深部視覺皮層的功能超聲成像|056期
    PNAS作者：Loren在清醒的動物或人類身上，在中尺度水平上研究大腦的深層區域是不容易的。我們最近開發了一種功能性超聲(FUS)技術，可以對視覺任務的血流動力學反應進行成像。利用FUS對兩個清醒的非人靈長類動物執行被動注視任務，我們在距狀皮層和月狀溝的視皮層(V1，V2和V3)建立了深度的視網膜定位圖。這些成像可以在相對較少刺激呈現後的一個小時中獲得。
  • 聽覺皮層編碼聽覺認知的新機制
    該研究通過在頭部固定小鼠中建立一套聽覺相關的抉擇行為任務，同時使用雙光子成像技術記錄清醒小鼠的聽覺皮層第2/3層群體神經元的反應，解析了對感覺信息進行範疇化（categorization）的皮層神經元群體運算機制。
  • 林紹珍:群體細胞動力學的理論與實驗研究
    /選題意義/研究價值 群體細胞動力學現象廣泛存在於胚胎發育、傷口癒合、腫瘤侵襲等生理或病理過程中，且對這些過程起著重要調控作用。群體細胞動力學涉及細胞骨架自組裝、生化信號轉導調控、細胞之間以及細胞與微環境之間的複雜相互作用，因而是力學、生物學、物理學、化學等多學科交叉領域一個具有挑戰性的前沿課題。其研究有助於從亞細胞尺度到多細胞尺度深刻理解有關生物過程，並為相關疾病的診斷和治療提供理論依據。
  • 成年動物體感皮層季節可塑性研究獲進展
    為研究「戴耐爾」現象，研究團隊利用核磁共振、在體雙光子鈣成像、原位雜交等技術，從大體解剖追蹤到細胞水平的變化，從行為學追蹤到皮層神經元活性的變化，明確了冬夏兩季動物皮層神經元構築的變化。研究人員通過核磁共振長期追蹤小臭鼩的多個腦結構，發現大腦皮層是縮小顯著的結構之一，冬季皮層厚度比夏季縮小約10%。由於小臭鼩視力不發達，捕食主要依賴觸覺，通過對觸覺高度靈敏的鬍鬚來定位獵物。
  • 鳥有大腦皮層,那它有意識嗎?
    近期，《科學》期刊上的兩項研究取得了這樣的進展：斯塔克（Stacho）及其團隊首次確定了鳥類的皮層與哺乳動物的皮層有相似的結構[2]；尼德（Nieder）及其團隊則提出了鳥類的大腦皮層具有代表感知的神經元，而這正是意識的標誌[3]。
  • 丙泊酚麻醉與自然睡眠狀態皮層腦電圖的異同
    近期的研究表明，全麻意識消失與自然睡眠的機制可能存在聯繫，人體在丙泊酚誘導意識消失與非快動眼（non-rapid eye movement，NREM）睡眠的EEG活動十分相似，且發源自相似的皮層區域。根據不同頻率的EEG，對丙泊酚麻醉的腦電特徵及其與自然睡眠腦電特徵之間的異同綜述如下。
  • 環氧粉末塗料固化動力學DSC研究
    慧聰表面處理網訊：【摘要】採用不同升溫速率對某環氧粉末塗料在動態升溫過程中的固化動力學進行了研究，採用Kissinger方程和Crane方程對固化動力學方程參數中的活化能E、指前因子A、反應級數n進行了計算，並用Oazwa法對活化能E進行了驗證，計算結果表明此環氧粉末塗料固化反應符合n階固化動力學固化模型。
  • 自然感覺刺激對腦發育的影響
    研究發現，從出生起對小鼠進行觸覺或視覺剝奪，不僅影響了對應大腦皮層的發育，而且還減緩了其它感覺皮層的發育，主要體現在突觸數目和突觸傳遞功能的降低。除了突觸傳遞發生變化外，這些幼年個體的感覺相關功能是否也有所改變呢？研究結果顯示，觸覺剝奪的小鼠的視覺功能的確比同籠有鬍鬚的小鼠差，提示單一的感覺剝奪會減緩大腦的整體發育，說明大腦的多個感覺皮層在發育早期存在跨模態可塑性。
  • 上海生科院揭示視皮層的下行反饋選擇性地調節
    ——以視覺系統為例——是來自外界的感覺刺激的獲取以及認知的產生是由大腦皮層內相互平行的上行投射與下行反饋神經系統共同完成的。研究發現，這種局部定點增強的視皮層第6層反饋輸入可以增強或抑制外膝體神經元的視覺反應。受調製的外膝體神經元的感受野，存在視網膜空間位置的拓撲特異性，即與視皮層神經元的最優方位朝向密切相關。此外，局部定點增強的視皮層反饋輸入還造成了外膝體神經元感受野的增大、縮小或感受野中心的漂移，這些細胞感受野位置的變化，與在高級皮層區域觀察到的空間注意的效果一致。
  • 成都山地所採用新技術提取北京房山區崩滑體動力學特徵
    成都山地所採用新技術提取北京房山區崩滑體動力學特徵 2018-08-14 成都山地災害與環境研究所 日前，中國科學院成都山地災害與環境研究所副研究員歐陽朝軍團隊根據此次滑坡特徵和現場資料數據，並結合光流法捕捉技術、深度學習和動力學數值模擬方法，對此次崩滑災害的動力學特性進行了分析和提取，獲取了其運動速度、演化過程、堆積範圍等關鍵性特徵參數，可為下一步工程防治方案設計、其他潛在風險點危害評估提供技術支撐。