新的研究表明，大腦中的神經元可以同時攜帶兩個信號，使用類似於電信複用的策略。這些結果可以解釋大腦是如何處理來自我們周圍世界的複雜信息的，也可能為我們的一些感知和認知侷限提供了洞察力。
神經元計算機模擬圖
在電信技術的早期，工程師們發明了一種聰明的方法，可以同時通過一條線發送多個電話。這種技術被稱為時分多路複用(TimeDivisionMultipleing)，它可以快速地在每條消息的發送段之間切換。
杜克大學的一項新研究表明，大腦中的神經元可能具有類似的策略。
在一項研究猴子對聲音的反應的實驗中，一組神經科學家和統計學家發現，單個神經元可以通過在與一種聲音相關的信號和與另一種聲音相關的信號之間切換來編碼來自兩種不同聲音的信息。
“我們提出的問題是，神經元如何在世界上同時保存關於兩種不同刺激的信息？”杜克大學心理學和神經科學系以及神經生物學系的教授詹妮弗·格羅(Jennifer Groh)說。
Groh說：“我們發現，一個特定的神經元會對一個刺激做出反應，而另一段時間則會對另一個刺激作出反應。”“它們似乎能夠在每一個之間交替進行。”
這些結果可以解釋大腦是如何處理來自我們周圍世界的複雜信息的，也可能為我們的一些感知和認知侷限提供了洞察力。研究結果發表在7月13日的“自然通訊”雜誌上。
為了做出這一發現，Groh和她的團隊與杜克大學統計科學副教授SuryaTokdar合作，開發並應用了幾種新的分析方法來分析他們的實驗數據。
大多數關於單個神經元行為的研究一次只研究一個刺激，觀察當被試被播放一個音符或顯示一個圖像時單個神經元的反應。
但現實很少如此簡單。我們的大腦能夠同時處理多種刺激-比如在派對上聽朋友演奏背景音樂，或者從顫音昆蟲的交響樂中挑出蟬的嗡嗡聲。
杜克大學心理學和神經科學系的研究科學家瓦萊裡婭·卡魯索(ValeriaCaruso)說：“你不清楚如何從單個神經元編碼單個物體，變成編碼多個物體。”“我們想提供一箇中間步驟，看看神經元是如何編碼小組物體的。”
更復雜的是，單神經元研究表明，許多感覺神經元是廣泛調諧的，這意味著每個感覺神經元都能夠對不同頻率範圍內的聲音作出反應。例如，由你朋友的聲音觸發的相同的神經元也可能被你最喜歡的曲調的音符所觸發。
“如果我是一個神經元，而且我能夠同時對枕頭和沙發的圖像做出反應，那麼大腦是如何推斷枕頭和沙發都存在的呢？”格羅說。
在實驗中，研究人員讓猴子們坐在黑暗的房間裡，訓練它們朝聽到的聲音的方向看。研究人員播放一種聲音或兩種聲音，每種聲音的頻率不同，來自不同的地點。
當研究人員一起演奏兩種聲音時，猴子們首先朝一種聲音的方向看，然後向另一種聲音的方向看，這表明猴子認識到存在兩種不同的聲音。
為了找出猴子的大腦是如何同時編碼這兩種聲音的，研究小組在大腦聽覺通路的一個關鍵點下丘上使用電極來測量神經元放電引起的局部電場中的小尖峰。
研究人員調查了單個神經元對個別聲音和組合聲音的反應。Groh說，該領域的標準做法是計算一段時間內發生了多少次峰值，並計算一些試驗的平均值。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。
該小組應用了一系列先進的統計方法，包括Tokdar和他的團隊開發的一種稱為動態混合點過程模型的新方法，從數據中提取更詳細的模式。
他們發現，單個神經元對一個聲音的反應速度是一次，而另一次聲音的反應速度是不同的。當兩種聲音同時播放時，似乎在兩個發射率之間波動。有時波動足夠快，以至於神經元在發出聲音後的半秒鐘內就會切換，而在其他情況下，切換則會更慢。
研究小組重複了洛克菲勒大學神經科學和行為學教授溫裡奇·弗雷沃爾德(Winrich Freiwald)對實驗數據的統計分析。在這些實驗中，Freiwald研究了皮層視覺區域單個神經元對一張或兩張臉圖像的反應。分析表明，當兩面同時出現時，開關模式是相同的。
這些發現為其他情況提供了線索，在這種情況下，大腦一次只能做一件以上的事情，只有有限的一組神經元。例如，我們的工作記憶-我們一次能記住的東西的數量-被限制在五到七項左右。雖然這些實驗並不直接測試工作記憶，但研究人員認為進一步的研究可能有助於解釋這些限制。
Groh說：“我們的工作記憶系統非常有限，沒有人真正知道原因。”“這種限制可能來自於某種循環行為，在這種行為中，你一次只編碼一件東西，而在一段時間內，你能代表的東西的數量取決於你需要多長時間來表示每一件東西，以及你能轉換的速度有多快。”
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