斯坦福大学的研究人员发现，神经细胞的神经活动失调会对感知能力产生根本性的限制

斯坦福大学(Stanford)的研究人员帮助解决了一个长期存在的谜团，即大脑是如何如此精确地处理信息的，尽管单个神经元或神经细胞的行为具有惊人的随机性。

这一发现发表在4月2日的《自然》(Nature)杂志网络版上，它对感知的极限提供了新的见解，并可能有助于设计所谓的神经修复术——一种让人们重新获得一些失去的感知能力的装置。

在这项新的研究中，研究人员测量了老鼠大脑中神经元的活动，因为这些啮齿类动物在视觉上分辨出了相似但不完全相同的图像。通过分析从每只小鼠同时记录的大约2000个神经元中收集的数据，研究人员发现了有力的证据，证明了一个理论，即感知能力的限制是由神经活动中“相关的噪音”引起的。

本质上，因为神经元是高度相互联系的，当一个人随机做出不正确的反应并错误地识别一个图像时，它会影响其他神经元犯同样的错误。

“你可以把相关的噪音想象成一种‘群体思维’，在这种‘群体思维’中，神经元就像旅鼠一样，一个接着一个地犯错误，””的合著者、人文科学学院应用物理学副教授Surya Ganguli说。

值得注意的是，视觉系统能够过滤掉大约90%的神经元噪音，但剩下的10%限制了我们分辨两个非常相似的图像的精细程度。

“With这项研究中,we’ve帮助解决一个谜that’s在30多年来关于限制哺乳动物-和扩展人类感官知觉时,”文章的第二作者马克·施尼策尔说,生物学和应用物理学教授H&年代和霍华德休斯医学研究所的一位研究员。

看观众

为了获得每只老鼠几千个神经元的庞大样本，研究的主要作者Oleg Rumyantsev，斯坦福大学应用物理学研究生，带头构建了一种特殊类型的大脑成像设备。在这个实验装置中，一只老鼠可以在跑步机上原地跑，同时科学家们用光学显微镜观察老鼠初级视觉皮层的神经元。这个大脑区域负责整合和处理从眼睛接收到的视觉信息。

研究中的老鼠通过基因工程来表达传感蛋白，这种蛋白会发出荧光并报告皮层神经元的活动水平;当神经元被激活时，这些蛋白质会发出更多的光，让研究人员能够推断出细胞的活动模式。将一组16束激光扫过mouse’s视觉皮层，照亮神经元并启动荧光过程，让研究人员能够观察皮层神经元对两种不同视觉刺激的反应。所呈现的刺激物是相似外观的图像，由明暗条纹组成，这在以前的研究中被认为能真正吸引老鼠的注意力。

根据神经元的反应，研究人员可以测量视觉皮质6037s区分两种刺激的能力。每个刺激都产生一种独特的神经元反应模式，许多神经元对刺激1或刺激2进行编码。然而，考虑到神经元s’天生的随机性，这种保真度远非完美。在一些视觉刺激的表现形式中，一些神经元错误地发出了错误的刺激信号。由于相关噪声的群体思维，当一个神经元出错时，其他神经元共享来自小鼠视网膜和视觉回路后续部分的共同输入，也更有可能犯同样的错误。

只有在斯坦福大学的研究人员能够同时观察到大量神经元的情况下，才有可能揭示这种相关噪音的真正影响。“相关的噪音只有在你到达大约1000个神经元时才会显现出来，所以在我们的研究之前，根本不可能看到这种效果。”Ganguli说。

多与少

然而，在视觉识别任务方面，大脑在处理大量的神经元噪音方面仍然做得非常好。总的来说，约90%的噪声波动不会影响神经元中视觉信号编码的准确性。相反，只有剩下的10%的相关噪声对准确性产生了负面影响，从而限制了大脑’s的感知能力。Schnitzer说，相关的噪音确实限制了大脑皮层的功能。

研究结果表明，一旦有足够多的神经元(或人造的类似神经元的处理元件)可用，将更多的神经元投入到感觉辨别问题中可能不会显著提高表现。这一发现可能会帮助脑修复术的研发人员——其中最著名的是为听力受损者设计的人工耳蜗——学会用更少的钱实现更多的功能。冈古里说:“如果你想制造出最好的感觉假肢装置，你可能只需要输入比如说1000个类似神经元的元素，因为如果你试图输入更多，你可能不会做得更好。”

斯坦福大学的研究揭示，未来的实验可以检验相关的噪音限制是否也限制了视觉以外的其他感官。

新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2020/04/08/misfiring-jittery-neurons-set-fundamental-limit-perception/