神经科学家发现神经元的网络，这些网络伸展或压缩其活性以控制Timinganne Trafton |麻省理工学院新闻主持人对于弹乐乐器，摇摆基地至关重要
神经科学家发现神经元的网络，这些网络伸展或压缩其活动以控制时间
安妮·特拉夫顿|麻省理工学院新闻办公室
时间安排对于演奏乐器，挥舞棒球棍和许多其他活动至关重要。神经科学家提出了几种模型，说明大脑如何实现其对时间安排的精美控制，最突出的是有一个集中式时钟或起搏器，在大脑中的某个地方可以为整个大脑留出时间。
但是，麻省理工学院研究人员的一项新研究为依靠负责产生特定动作的神经元的替代定时处理系统提供了证据。根据所需的时间间隔，这些神经元会压缩或伸出他们在特定时间产生行为的步骤。
“我们发现这是一个非常活跃的过程。大脑并没有被动地等待时钟达到特定点。
麻省理工学院的博士后王和前博士后Devika Narain是本文的主要作者，该论文出现在12月4日的《自然神经科学》上。研究生Eghbal Hosseini也是该论文的作者。
灵活的控制
最早的定时控制模型之一，即时钟蓄能器模型，表明大脑具有内部时钟或起搏器，可以为其余的大脑留出时间。该模型的后来变化表明，大脑不是使用中央起搏器，而是通过跟踪不同脑波频率之间的同步来测量时间。
尽管这些时钟模型具有直觉上的吸引力，但Jazayeri说：“它们与大脑的作用不太匹配。”没有人找到集中式时钟的证据，而Jazayeri和其他人都想知道是否需要控制需要需要的行为的部分精确的时机可能会自己执行正时函数。 “人们现在质疑大脑为什么要花费时间和精力在不总是需要时产生时钟。对于某些行为，您需要进行时间安排，因此也许要处理这些功能的大脑部分也可以执行时机。”他说。
为了探索这种可能性，研究人员在动物的三个大脑区域中记录了神经元的活性，因为它们以两个不同的时间间隔进行了任务 – 850毫秒或1,500毫秒。
研究人员在这些间隔中发现了神经活动的复杂模式。有些神经元更快地发射，有些神经元发射较慢，有些振荡的速度开始更快或更慢。但是，研究人员的主要发现是，无论神经元的反应如何，他们调整活动的速度取决于所需的时间间隔。
在任何时间点，神经元的集合处于特定的“神经状态”，随着每个单独的神经元以不同的方式改变其活性，该神经元会随着时间而变化。要执行特定行为，整个系统必须达到定义的最终状态。研究人员发现，无论间隔如何，神经元始终从其初始状态到达最终状态的相同轨迹。唯一改变的是神经元传播这一轨迹的速度。
当所需的间隔更长时，该轨迹被“伸展”，这意味着神经元花了更多时间发展到最终状态。当间隔较短时，轨迹被压缩了。“我们发现，当间隔改变时，大脑不会改变轨迹，它只是改变了从初始内部状态到最终状态的速度，” Jazayeri说。
加利福尼亚大学洛杉矶分校的行为神经科学教授迪恩·布诺曼诺（Dean Buonomano）说，该研究“提供了很好的证据，表明时机是大脑中的分布过程 – 也就是说，没有单一的主时钟。”
“这项工作还支持这样的观念，即大脑不会使用时钟般的机制告诉时间，而是依赖于神经回路固有的动力学，并且随着这些动态的增加和降低的速度，动物移动的快速或缓慢移动， ” Buonomano补充说，他没有参与研究。
神经网络
研究人员将研究重点放在连接三个区域的大脑环上：背部额叶皮层，尾状酸盐和丘脑。他们发现这种独特的神经模式在背部额叶皮层中，参与了许多认知过程，而尾状尾巴涉及运动控制，抑制和某些类型的学习。但是，在传递电动机和感觉信号的丘脑中，他们发现了一种不同的模式：而不是改变其轨迹的速度，而是根据所需的间隔，许多神经元只是增加或降低了发射速率。
Jazayeri说，这一发现与Thalamus的可能性是一致的。他们从以随机方式连接在一起的数百个神经元的模型开始，然后对其进行训练，以执行他们用于训练动物的相同间隔生产任务，不提供有关模型应如何执行任务的指导。
他们发现，这些神经网络最终使用了与动物脑数据中观察到的相同策略。一个关键发现是，只有在某些神经元具有非线性活动的情况下，该策略才起作用 – 即，随着输入的增加，其产量的强度不会不断增加。相反，随着他们收到更多的输入，其输出以较慢的速度增加。
Jazayeri现在希望进一步探讨大脑如何在不同时间间隔内产生神经模式，以及我们的期望如何影响我们产生不同间隔的能力。
这项研究由荷兰科学组织，美国国立卫生研究院，斯隆基金会，克林肯斯坦基金会，西蒙斯基金会，西蒙斯基金会，感觉运动神经工程中心和麦戈文学院资助。
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