在電信技術發展的早期，工程師們發明了一種巧妙的方法，通過一根線路同時傳輸多個電話信號。這種技術被稱為
時分多路複用（time-division multiplexing），也就是說，時間域被分成一些週期循環的小段，每段時間長度是固定的，每個時段傳輸一個信號，當最後一個信號傳輸完畢，這樣的過程會再次重複，傳輸下個信號片段。時分多路複用技術可以在各個發送的消息片段之間快速切換。在一項最新的研究中，杜克大學的研究人員發現，大腦中的神經元可能會採取類似的策略來傳輸信號。
○ 杜克團隊發現，單個神經元可以同時對多個刺激信息進行編碼，這與像手機這樣的電子產品按頻率排序信號的方式非常相似。| 圖片來源：Cruger Creations
“我們的問題是，對於周圍世界兩個不同的刺激，神經元如何在同一時間保存相關的信息? 通過研究猴子大腦的單個神經元，我們發現，在一些時間段，神經元對一個刺激做出反應，在另一些時間段，神經元對另一個刺激做出反應。神經元似乎能夠在各個刺激信號之間切換。”杜克大學心理和神經生物學教授Jennifer Groh說道。
研究結果可能解釋了大腦是如何處理來自我們周圍世界的複雜信息的，也可能為我們的知覺與認知侷限性提供洞察。該項研究結果發表在7月13日的《自然通訊》上。
多數關於單個神經元行為的研究一次只關注一個刺激——觀察研究對象在聽到一個音符，或者面對一個圖像時，單個神經元會做何反應。但現實往往不會如此簡單，我們的大腦能夠同時處理多種刺激，比如在聚會上，一邊聽著背景音樂，一邊和朋友聊天，或者從眾多昆蟲的鳴叫中分辨出蟬的聒噪。
“我們並不清楚大腦是如何從單個神經元編碼單個信號，轉換到單個神經元編碼多個信號的。我們試圖提供一箇中間步驟，看看
神經元是如何編碼成組的信號的。”杜克大學心理與神經科學系的科學家Valeria Caruso說道。更復雜的是，對於單個神經元的研究表明，許多感覺神經元能夠對一個寬廣頻率範圍內不同的聲音做出反應。例如，你朋友的聲音觸發的神經元，也可能被你喜歡的曲調的音符觸發。
“如果我是一個神經元，我能同時對沙發和沙發上枕頭的圖像做出反應，那麼大腦是如何推斷沙發和枕頭都存在的呢?”Groh說道。
在實驗中，研究人員讓猴子們坐在黑暗的房間裡，播放一種或兩種聲音，每種聲音的頻率不同，且來自不同的位置，以此來訓練猴子，讓它們朝聽到聲音的方向看。
當研究人員一起演奏兩種聲音時，猴子先朝一種聲音的方向看，然後朝另一種聲音的方向看，這表明猴子能夠識別出存在兩種不同的聲音。
為了發現猴子的大腦是如何同時編碼這兩種聲音的，研究小組在猴子的下丘（inferior colliculus，下丘位於中腦左右兩側，是聽覺通路的重要組成部分）放置電極，以測量神經元放電 （神經元從靜息電位轉換為動作電位的過程）導致的局域電場中的小尖峰。
○ 圖中黃色箭頭指出的部位是下丘（inferior colliculus），位於中腦下部背側，是聽覺通路的重要組成部分。位於中腦上部背側的上丘（superior colliculus）是視覺通路的重要組成部分。
研究人員考察了單個神經元對每種單獨的聲音的反應，以及對兩種聲音的組合的反應。Groh介紹說，該領域的標準做法是，統計在一段時間內出現了多少次尖峰，並計算多次試驗的平均值。但這種方法掩蓋了任何可能表明神經元在不同刺激之間來回切換的活動波動。
該團隊採用了先進的統計方法，包括一種由Tokdar及其團隊開發的被稱為動態混合點過程模型（Dynamic Admixture Point Process model）的新方法，以確保從數據中提取出更詳細的模式。
他們發現，一個神經元會以一種放電頻率對一個聲音做出反應，以另一種不同的放電頻率對第二個聲音做出反應。當同時播放兩種聲音時，神經元在兩種放電頻率之間切換。有時，波動速度足夠快，神經元在聲音出現的半秒內就會切換 ，而在另一些情況下，轉換的速度會慢一些。
○ 神經元編碼多個信號的策略可能類似於電話信號傳輸：單個神經元在不同信號之間快速切換，同時保留這些不同的信號（A-B-A-B），而非單獨傳輸較強的信號（比如單獨的B），或者傳輸不同信號的疊加（A+B），又或者不同信號的平均((A+B)/2)。| 圖片來源：DOI: 10.1038/s41467-018-05121-8
該研究小組對洛克菲勒大學神經科學與行為學教授Winrich Freiwald的實驗數據再次進行了統計分析。在這些實驗中，Freiwald研究了大腦皮層
視覺區域的單個神經元對包含一張或兩張臉的圖片的反應，分析結果表明，對於兩張臉的圖片，存在相同的切換模式。這些發現為其他情況提供了線索，在這些情況下，大腦需要利用一組有限的神經元同時做不止一件事。例如，我們的工作記憶（我們的大腦一次能記住的東西的數量）被限制在4或5個左右。(關於人腦工作記憶限制的更詳細介紹，參看《神奇的數字：4 或 5》）雖然這些實驗沒有直接測試工作記憶，研究者認為，進一步的研究可能有助於解釋這種記憶力的限制。
Groh說，“我們的工作記憶系統其實非常有限，然而沒有人真正知道為什麼。也許這個極限來自於某種循環行為，其中神經元每一次只編碼一個信號。那麼，在一段時間內可以表示的信號的數量，取決於表示每個信號需要的時間以及信號間轉換的速度。”
撰文：KARA MANKE
參考鏈接：
https://today.duke.edu/2018/07/neurons-can-carry-more-one-signal-time
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05121-8
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