神经科学家显示需要处理信息的多个皮层区域

日期:2018-05-16 浏览:17

来自MIT的神经科学家表明,尽管有预定的专门角色,多个皮层区域同时一起工作来处理感觉运动信息。 / em

麻省理工学院的研究人员已经证明,大脑的皮层不能处理高度专业化模块中的具体任务 - 显示实际上,在共享信息时,皮质是非常动态的。

大脑的先前研究已将皮层描绘为功能特定区域的拼凑。例如,大脑后部的视觉皮层部分编码颜色和运动,而特定的前部和中部区域控制更复杂的功能,如决策。神经科学家一直批评这种观点过于分散。

在今天发表在科学杂志上的一篇论文中,来自麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的研究人员表明,实际上,多个皮层区域同时协同工作来处理感觉运动信息 - 感官输入与相关动作 - 尽管它们具有预定的专门角色。

“麻省理工学院脑与认知系Picower教授厄尔米勒说:”在神经科学领域,新兴的观点认为皮质处理是交换信息的动态区域网络的组合,而不是模块的拼凑 - 这就是我们发现的结果。科学和文章的资深作者。

研究人员使用尖端技术同时记录神经活动,首次在六个皮质区域进行任务,在该任务中必须识别点的颜色或运动。这些地区,从大脑的前面到后面,都被认为是专门从事特定的感官或执行功能。然而研究人员发现所有地区的所有信息都有重要的编码 - 但在不同程度的强度和时间上。

Miller说,这些发现可能会改善脑部疾病,注意力缺陷多动症,中风和外伤的治疗。 “很多这些[问题]都是皮质问题,我们的批判性思维发生在那里,”他说。 “通过更好地理解皮层如何处理信息,我们将有更好的方式来对待它们。”

米勒补充说,记录如此广泛分布的神经活动,也会使流行的神话 - 由“露西”(2014年)等流行电影传播 - 我们只使用10%的大脑,而解锁更多会导致更大的能力。 “如此广泛的信息分布与我们只使用我们大脑中一小部分的观念不相容,”Miller说。

该论文的第一作者是图宾根大学的首席研究员Markus Siegel,合着者是普林斯顿大学助理教授Timothy Buschman。

处理“水下”

“拼凑”皮层的概念部分来自功能磁共振成像(fMRI)研究,这种研究是在人体中进行的,用于测量血流量的变化,以揭示哪部分大脑参与特定任务。但是,这些测试 - 在受试者执行两项独立任务时记录血流模式的微小差异 - 并不能揭示整个大脑的整体模式。 “他们向你展示了冰山顶端的水位,实际上,在水面以下,到处都有很多加工过程,”米勒说。

在这项新的研究中,研究人员构建了一个108个电极阵列,用于测量6个皮质区域中2,694个被认为控制特定功能的神经尖峰:控制眼睛的侧脑室内区(LIP)和额叶区(FEF)运动;前额皮层(PFC),控制决策;视觉区域(V4),检测颜色;颞中区(MT),它检测运动;和下颞叶皮层(IT),它响应所有的视觉刺激。

在一个实验中,受试者显示了一组红色或绿色的点,它们向上或向下移动。事前,一个提示(灰色的形状)表明他们是否应该注意颜色或动作。在显示点之后,他们将通过眼球运动识别正确的颜色或动作(左为绿色,右为红色;左为上,右为下)。

在测试过程中,研究人员在感觉运动通路的五个功能(从感官输入到动作)中记录神经活动:识别灰色形状(提示),决定注意运动或颜色(任务),检测颜色,检测运动,并执行眼球运动(选择)。

结果揭示了神经活动,几乎同时,全面:感官信息 - 提示,颜色或动作 - 开始于MT和V4,但流向LIP,IT,FEF和PFC。任务信息从V4和IT开始,但流向PFC和LIP,然后流向FEF并返回到V4。选择信号建立在PFC和LIP中,然后向前和向后流向FEF和V4。总之,尽管特定领域出现了神经峰值,但所有信息都被广泛分享。

“有些地区可能比彩色处理运动更多,有些可能比运动处理颜色更多,有时你可以看到信息在另一个地区上升,”Miller说。 “但通常信息分布在整个皮层。”

特别值得注意的是,米勒补充说,执行者的“选择”信号 - 决定哪个方向移动他们的眼睛 - 分布在皮层上的范围有多广。以前,人们认为决定只在具体的皮质区域中出现。 “但是你看到这个决定同时渗透到皮层的许多部分,所以即使决策更多地是许多皮质区域的新兴财产,”他说。

非目标治疗

米勒说,为了更好地理解皮层的感觉运动处理,这项研究可能为更广泛地使用无创治疗中风恢复打开了大门,这些治疗提供电脉冲来增加受损皮质区域的脑电波,以恢复感觉或运动功能。

采用无创技术,难以定位受损区域,因此它们没有被广泛使用。但是,这些新发现表明,精确定位可能不是必要的。 Miller说:“无创脑刺激的一个主要问题是如果皮层是高度专业化结构的拼凑,该怎么做。 “这表明你实际上可以使用诸如无创技术之类的技术来同时促进一大批领域的信号传输,并且不需要太担心针对某个特定区域。”

该研究由美国国立卫生研究院资助。

出版物:Markus Siegel等,“在灵活的感觉运动决策期间的皮层信息流”,Science 19 June 2015:Vol。 348号6241第1352-1355页; DOI:10.1126 / science.aab0551

来源:麻省理工学院新闻Rob Matheson

图片:Christine Daniloff / MIT