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神经技术提供了老鼠认为的实时读数

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-03-07浏览次数:703

迷宫中的老鼠可能是脑科学中最经典的研究课题之一,但科学家在Cell Reports的国际合作中描述的一项新创新表明,这些实验在多大程度上仍然是技术和神经科学的前沿。

近年来,科学家已经证明,通过记录大脑关键区域中一组神经元的电活动,他们可以读出鼠标对其位置的看法,无论是在迷宫实际运行后,还是在梦想跑。 - 巩固记忆的关键过程。在这项新的研究中,参与开创这种心灵阅读方法的几位科学家现在报告说,当老鼠通过迷宫时,他们可以实时读取这些信号,具有高度的准确性和解释统计数据的能力。生产完成后,读数几乎立即相关。

研究人员表示,以如此强大的方式实时跟踪大鼠空间性能的能力为新实验打开了大门。他们预测这些实验将产生对学习,记忆,导航和认知的新见解,因为它们不仅解释了大鼠思维的发展,而且还立即干预和研究这些干扰的影响。

“使用实时解码和神经活动的闭环控制将从根本上改变我们对大脑的研究,”研究的合着者,学习和记忆研究所的Sherman Fairchild神经生物学教授Matthew Wilson说。麻省理工学院。

新论文背后的合作始于大约10年前在麻省理工学院的威尔逊实验室。当时,相应的作者Zhe(Sage)Chen,现为纽约大学精神病学和神经科学与生理学副教授Fabian Kloosterman,目前是神经电子学研究Flemish(imec,KU Leuven和VIB)的首席研究员和教授。在比利时。 KU Leuven,他们是麻省理工学院的博士后研究员。在演示如何使用神经解码来读出大脑隐蔽重放的位置后,该团队开始了一系列技术创新,逐渐提高了该领域在导航,睡眠或休息期间准确解码大脑代表位置的能力。他们在2013年达到了他们的第一个里程碑,当时该团队在“神经生理学杂志”的一篇论文中发表了他们的新解码方法。这种新方法使研究人员能够直接破译从四极杆记录中检测到的海马体时空模式,而无需进行尖峰分选,这是一个耗时且容易出错的计算过程。

在新的研究中,该团队表明,通过在图形处理单元(GPU)芯片上实现他们的神经解码软件,这是视频游戏玩家所青睐的高度并行处理硬件,使他们能够实现前所未有的解码和分析速度。升级。在该研究中,该团队表明,基于GPU的系统比传统的多核CPU芯片快20-50倍。

它们还表明,即使处理超过一千个输入通道,系统仍然保持快速和准确。这很重要,因为它将实时解码方法扩展到新的高密度脑记录设备,例如由imec,HHMI和其他人开发的Neuropixels探针(想想数百个细胞中的许多电极记录),预计将是甚至更多的细胞大脑活动是大规模和更详细地测量的。

此外,新研究报告了软件能够快速和统计地评估一组重新激活的神经时空活动模式是否真正与任务相关或可能不相关的能力。

“我们提出了一个优雅的解决方案,它使用GPU计算不仅可以实时解码信息,还可以动态评估信息的重要性,”Chen说,他的研究生Sile Hu是新论文的主要作者。

Hu测试了大脑区域的各种神经记录,例如海马,丘脑和多只大鼠的皮质,因为它们运行各种迷宫,从简单的轨道到广阔的空间。在随附的论文中,系统从海马体中36个电极通道的读数跟踪开放空间中大鼠的实际测量位置,并提供大脑活动的解码位置的实时估计。这只是许多差异的偶然和短暂的轨迹。

Chen和Wilson说,该系统的软件是开源的,可以由其他神经科学家(github.com/yuehusile/real_time_read_out_GPU)下载并免费使用。

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之前记录局部神经表征的实验有助于表明动物在睡眠期间重放其空间体验,并允许研究人员在决定如何导航时更多地了解动物如何依赖记忆 - 例如,最大化他们在此过程中可以找到的奖励。然而,传统上,大脑读数已经被分析或“离线”。最近,科学家们开始进行实时分析,但这些内容的细节以及了解读数是否具有统计意义并因此相关的能力是有限的。

在最近的一项重大发展中,Kloosterman和这项新研究的另外两位合作者,研究生Davide Ciliberti和FrédéricMichon,发表了一篇关于eLife关于海马记忆回放的实时闭环读数的论文。导航了一个三臂迷宫。该系统使用多核CPU。

“新的GPU系统将使该领域更接近大脑内部详细,实时和高度可扩展的读取,”Kloosterman说。 “有必要增加我们对这些重播事件如何推动记忆和行为形成的理解。”

通过将这些能力与光遗传学结合起来,这种技术允许神经元被闪光控制,研究人员可以进行“闭环”研究,在这些研究中,他们可以利用瞬时读数的空间思维来触发实验。操作。例如,他们可以看到在睡眠期间干扰回放后第二天导航性能会发生什么变化,或者他们可以确定当鼠标面临关于哪个方向的关键决定时皮质和海马之间的通信暂时中断。

胡还隶属于中国浙江大学。此外,Wilson,Chen,Kloosterman,Ciliberti和Michon等论文的其他作者是哥伦比亚大学的Andres Grosmark,贝勒医学院的Daoyun Ji,麻省理工学院的Hector Penagos和纽约大学的Gy?rgyBuzsáki。

该研究由美国国立卫生研究院,国家科学基金会,由麻省理工学院资助的国家科学研究院资助的脑思想和机器研究中心,法兰德斯研究基金会(FWO)和国家科学基金资助。中国基金会和席梦思基金会。