斯坦福大學(Stanford)的研究人員幫助解決了一個長期存在的謎團，即大腦是如何如此精確地處理信息的，儘管單個神經元或神經細胞的行為具有驚人的隨機性。
研究結果發表在4月2日的《自然》(Nature)雜誌網絡版上，對感知的極限提供了新的見解，並可能有助於設計所謂的神經修復器——一種能讓人們重新獲得一些失去的感知能力的設備。
在這項新的研究中，研究人員測量了老鼠大腦中神經元的活動，因為這些齧齒類動物在視覺上分辨出了相似但不完全相同的圖像。通過分析從每隻老鼠身上同時記錄的大約2000個神經元中收集到的數據，研究人員發現了有力的證據來支持一個理論，即感知能力的限制是由神經活動中的“相關噪音”造成的。
本質上，因為神經元是高度相互聯繫的，當一個人隨機做出不正確的反應並錯誤地識別一個圖像時，它會影響其他神經元犯同樣的錯誤。
“你可以把相關的噪音想象成一種‘群體思維’，在這種思維中，神經元就像旅鼠一樣，一個不注意地跟著另一個去犯錯誤，”共同作者、人文與科學學院(H&S)應用物理學副教授Surya Ganguli說。
值得注意的是，視覺系統能夠過濾掉大約90%的神經元噪音，但剩下的10%限制了我們分辨兩個非常相似的圖像的精細程度。
”,這項研究中,我們幫助解決一個難題,已經存在了超過30年什麼限制哺乳動物和擴展人類感官知覺,”施尼策爾說文章的第二作者馬克,生物學和應用物理學教授H&S和霍華德休斯醫學研究所的一位研究員。
據海外就醫機構和生元國際得知為了獲得每隻老鼠幾千個神經元的龐大樣本，研究的主要作者Oleg Rumyantsev，斯坦福大學應用物理學研究生，帶頭構建了一種特殊類型的大腦成像設備。在這個實驗裝置中，一隻老鼠可以在跑步機上原地跑，同時科學家們用光學顯微鏡觀察老鼠初級視覺皮層的神經元。這個大腦區域負責整合和處理從眼睛接收到的視覺信息。
研究中的老鼠通過基因工程來表達傳感蛋白，這種蛋白會發出熒光並報告皮層神經元的活動水平;當神經元被激活時，這些蛋白質會發出更多的光，讓研究人員能夠推斷出細胞的活動模式。將一組16束激光掃過老鼠的視覺皮層，可以照亮神經元並啟動熒光過程，讓研究人員觀察皮層神經元對兩種不同的視覺刺激的反應。所呈現的刺激物是相似外觀的圖像，由明暗條紋組成，這在以前的研究中被認為能真正吸引老鼠的注意力。
根據神經元的反應，研究人員可以測量視覺皮層區分兩種刺激的能力。每個刺激都產生一種獨特的神經元反應模式，許多神經元對刺激1或刺激2進行編碼。然而，考慮到神經元天生的隨機性，這種保真度遠非完美。在一些視覺刺激的表現形式中，一些神經元錯誤地發出了錯誤的刺激信號。由於相關噪聲的群體思維，當一個神經元出錯時，其他神經元共享來自小鼠視網膜和視覺迴路後續部分的共同輸入，也更有可能犯同樣的錯誤。
只有在斯坦福大學的研究人員能夠同時觀察到大量神經元的情況下，才有可能揭示這種相關噪音的真正影響。岡古裡說:“相關的噪音只有在你接觸到大約1000個神經元時才會顯現出來，所以在我們的研究之前，根本不可能看到這種效果。”
然而，在視覺識別任務方面，大腦在處理大量的神經元噪音方面仍然做得非常好。總的來說，約90%的噪聲波動不會影響神經元中視覺信號編碼的準確性。相反，只有剩下的10%的相關噪聲對準確性產生了負面影響，從而限制了大腦的感知能力。Schnitzer說:“相關的噪音確實限制了大腦皮層的功能。”
研究結果表明，一旦有足夠多的神經元(或人造的類似神經元的處理元件)可用，將更多的神經元投入到感覺辨別問題中可能不會顯著提高表現。這一發現可以幫助腦修復的開發者們學會用更少的錢做更多的事，其中最著名的就是為聽力受損的人植入人工耳蝸。岡古裡說:“如果你想製造出最好的感覺假體裝置，你可能只需要輸入1000個類似神經元的元素，因為如果你試圖輸入更多，你可能不會做得更好。”
斯坦福大學的研究揭示，未來的實驗可以檢驗相關的噪音限制是否也限制了視覺以外的其他感官。海外就醫機構和生元國際會及時給大家更新更多的國外資訊。
