매 순간, 뉴런은 속삭이고 소리를 지르며, 스퍼터링하고 노래하며, 어지러운 목소리로 뇌를 채우고 뇌를 채 웁니다. 그러나 이러한 목소리 중 많은 사람들이 전혀 의미있는 말을하지 않는 것 같습니다. 그들은 신호가 아닌 습관적인 소음에 등록합니다. 담론이 아니라 정적으로.
과학자들은 60 년 전에 단일 뉴런에서 처음으로 기록 할 수 있었기 때문에, 명백한 이유가 없더라도 뇌 활동이 매우 가변적이라는 것을 알고 있습니다. 반복적 인 자극에 대한 동물의 신경 반응은 시험에서 시험으로 상당히 변해 거의 무작위로 보이는 방식으로 변동합니다. 오레곤 대학교의 신경 과학자 인 데이비드 맥코믹 (David McCormick)에 따르면, 자극이 완전히 없어도“자발적인 활동을 기록 할 것입니다.
"이것은 뇌가 어떻게 든 매우 [시끄러운] 또는 어떤 유형의 높은 수준의 통계를 사용 하여이 시끄러운 수준을 극복하는 것으로 보인다"고 그는 말했다.
그러나 지난 10 년 동안 그 견해가 바뀌 었습니다. 이 주장 된 무작위성과 변동성은 뇌의 신경 역학의 혼란뿐만 아니라 각성 및 스트레스와 같은 행동 상태와 관련이 있다는 것이 명백 해지고 있습니다. 과학자들은 모든 소음에 더 많은 소음이 있다고 생각했습니다.
이제, 전례없는 세부 사항으로 신경 활동과 마우스의 행동을 분석함으로써, 연구자들은 뇌 전체, 시각 피질과 같은 저수준 감각 영역에서도 즉시 관련성있는 작업보다 훨씬 더 많은 정보를 인코딩합니다. 그들은 또한 동물이 사소한 행동, 심지어 사소한 행동, 즉 수염의 꼬임, 뒷다리의 깜박임에 대해서도 멍청합니다.
이러한 간단한 제스처는 신경 활동에만 존재하는 것이 아닙니다. 그들은 그것을 지배합니다.
결과는 과학자들이 뇌 활동을 해석하는 방식과 연구를 연구하기 위해 실험을 설계하는 방법을 바꾸고 있습니다.
우아하지만 구식 이야기
약 10 년 전까지, 대부분의 신경 과학자들은 실험에서 마취 된 동물을 사용했습니다. 샌디에고 캘리포니아 대학교의 신경 물리학자인 데이비드 클라인 펠트 (David Kleinfeld)는이 관행을 통해 뇌에 대한 이해를 높이기 위해 놀라운 진전을 이룰 수 있었지만“신경 처리에 대한 매우 왜곡 된 견해를 이끌어 냈다”고 말했다. 관련된 마취의 수준은 종종 구식 (또는 무의식적) 동물이 주관적으로 무엇이든보고 있다는 확신을 약화시키기에 충분하기 때문에 비전 연구의 특별한 단점이었다. 최소한 마취는 시각적 과정에 영향을 줄 수있는 실제 프레임 워크 나 맥락을 제거했습니다.
결과적으로, 시력의 작동 방식에 대한 특정 그림이 나타 났으며, 하나는 눈의 신호가 환경의 전문적이고 복잡한 표현을 만들어 낸 수동적 신경 학적 필터를 통해 움직였다. 그 과정에서 나중에 만 시각적 표현은 다른 감각 및 다른 뇌 영역의 정보와 통합되었습니다. 뉴욕의 콜드 스프링 하버 실험실의 신경 과학자 인 앤 교회 랜드 (Anne Churchland)는“주요 감각 영역을 세계에서 일어나는 일에 대한 조잡한 견해를주는 카메라로 보는 것은 유혹적입니다.
뇌의 엄청난 상호 연결성은 높은 피질 영역이 낮은 지역과 대화 할 수있는 피드백 루프로 채워집니다. 수십 년에 걸쳐 연구자들은 수십 년 동안 뇌의 각 영역이 라벨이 제안 할 수있는 것보다 덜 전문화 된 것으로 나타났습니다. 예를 들어 맹인 또는 시각 장애가있는 사람들의 시각적 피질은 청각 및 촉각 정보를 처리 할 수 있습니다. 모터 피질이 아닌 체내 감각 피질은 최근 운동 기반 기술 학습에 중요한 역할을하는 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 관심, 기대 또는 동기 부여와 같은 넓은 힘은 사람들이 인식하는 방식에 영향을 줄 수 있습니다.
어둠 속에서도 시각 피질의 뉴런은 계속 대화를 나눕니다.
그러나 2010 년에는 상황이 낯선 사람이되었습니다. 불과 몇 년 전에 개발 된 새로운 실험 방법은 런닝 머신이나 공에서 달리는 마우스의 뉴런에서 기록 할 수있었습니다. 샌프란시스코 캘리포니아 대학교 (University of California)의 신경 과학자 인 마이클 스트라이커 (Michael Stryker)와 위기 니웰 (Cris Niell)은 처음에 이러한 기술을 사용하여 수면, 마취 된 마우스의 시각적 활동을 달리거나 고정 된 마우스의 마우스와 비교하기로 결정했습니다. (Niell은 오레곤 대학교로 이사했습니다.)
그러나 그들은 만들기에 더 흥미로운 비교가 있다는 것을 빨리 깨달았습니다. Niell은“우리는 깨어있는 것과 마취 된 것과 다른 점을 연구하기를 원했습니다. 그러나 우리에게 놀라운 점은 동물이 움직일 때 깨어있는 상태의 다양한 측면이 얼마나 다른지에 대한 놀라운 점은 놀랍습니다.” 그들은 마우스가 실행될 때 시각적 자극에 대한 반응이 더 커 졌음을 발견했습니다. 뉴런의 발사 속도가 두 배가되었습니다. 사전 연구에서는 강렬한 시각적 관심을 요구하는 작업을 완료하는 데 필요한 인간과 원숭이에서도 발사율이 그다지 높아지지 않았기 때문에 놀랍습니다. 이 효과는 마우스가 실행 중지하자마자 테이퍼가 시작되었습니다.
Churchland는“사람들이 주요 시각 피질을 순전히 감각적 인 지역으로 생각했기 때문에 꽤 놀랍습니다.
당시 Stryker와 Niell은주의와 동기 부여에 관한 이전의 작업에서 도출 된 결론에 따라 마우스의 일반적인 행동 변화, 동물이 움직이기 시작하면서 활동적인 모드에서 활동적인 모드로의 전환을 반영 할 수 있다고 생각했습니다. 향후 몇 년 동안 다른 실험실에서의 연구에 따르면 일반적인 각성은 신경 반응을 상당히 변화 시킨다는 것을 확인했습니다. 예를 들어, 2015 년 McCormick과 그의 동료들은 마우스의 작업에 대한 참여가 얼마나 잘 수행 할 것인지 예측했다고보고했습니다. 같은 해에, 신경 과학자 제시카 카딘과 Yale University의 그녀의 팀은 시각 피질의 활동에 대한 달리기와 각성의 영향을 풀기 시작했습니다.
그러나이 모든 실험은 한 번에 얼마나 많은 뉴런을 기록 할 수 있는지와 그들이 설명 할 수있는 행동 변수의 수에서 제한되었습니다. 마우스가 실행 중인지 아니면 여전히 유입되는지 또는 각성의 대리로 확장되었는지 여부에 따라 뇌 활동의 변화를 조사한 실험은 비트와 신경 변동성만을 설명 할 수 있습니다. 더 완전한 설명은 여전히 원했습니다.
이제 동물 행동과 뇌 활동에보다 전 세계적으로 접근함으로써 소수의 연구 그룹이 정확히 그를 제공했습니다.
소용돌이 모양의 만화경에서 감각 찾기
University College London의 신경 과학자 인 Kenneth Harris와 Matteo Carandini는 다른 목표로 시작했습니다. 설치류가 시각적 자극을받지 않아도 시각적 피질에서 자발적인 활동의 구조를 특성화하는 것입니다. 대학의 Cortexlab에서 공동 팀의 다른 구성원들은 원하는대로 자유롭게 행동 할 수있는 마우스에서 한 번에 10,000 개의 뉴런에서 기록했습니다.
연구원들은 동물이 아무것도 볼 수 없지만 시각 피질의 활동은 광범위하고 충격적으로 다차원 적이어서 많은 정보를 인코딩하고 있음을 발견했습니다. 뉴런이 대화를 나눌뿐만 아니라“동시에 많은 대화가 진행되고있었습니다.
처음에는 과학자들이 무엇을 만들어야할지 잘 모르겠습니다. 그래서 그들은 뇌 활동을 매 순간 마우스가했던 일과 정확히 관련하여“대화”를 설명하려고 노력했습니다. 그들은 각 마우스의 얼굴 비디오를 가져 와서 실행 속도 나 동공 직경과 같은 동작의 단일 측면에 대해서도 모션 프레임을 분석 할뿐만 아니라 신경 변동성을 가장 작은 틱과 트 위치로 설명 할 수있는 모든 것에 대해 프레임별로 분석했습니다.
이 사소한 행동은 마우스의 시각 피질에서 진행중인 활동의 3 분의 1 이상을 설명하는 것으로 나타났습니다. 실제 시각적 입력이 일반적으로 발생하는 활동과 대략 비슷했습니다. 해리스는“우리는 뇌 의이 부분이 시각 피질이라고 불렀으며, 그것이하는 일은 시력이라고 생각할 것”이라고 말했다. “그리고 그렇게합니다. 그러나 적어도 그 활동의 대부분은 비전과 관련이 없습니다.”
McCormick은“우리가 마우스를 전체적으로 보면 갑자기, 그 일반적인 활동, 뇌에서의 칼리티드 스코프를 소용돌이 치기 시작합니다.”라고 말했습니다. (그와 그의 실험실은 최근 사전 인쇄에서 비슷한 결과를보고했습니다.) 활동은 마우스의 경고 나 각성의 일반적인 상태 또는 동물이 움직이고 있다는 사실을 반영하지 않았습니다. 시각 피질은 동물의 개별 운동에 대한 세부 사항까지 동물이 무엇을하고 있는지 정확히 알고있었습니다.
실제로 이것은 시각 피질에 고유하지 않았습니다. “뇌의 어느 곳에서나 같은 이야기입니다. 운동 신호는 정말 틀림 없다”고 오레곤 대학교 (University of Oregon)의 시스템 신경 과학자 인 Matt Smear는 이번 연구에 참여하지 않았다. 그것은“뇌에 대한 특정 직관적 개념이 아마도 잘못되었을 것”이라는 생각을 강조합니다.
.더욱 눈에 띄는 감각 또는 기타 기능 정보를 인코딩 한 동일한 뉴런은 이러한 모터 신호를 명시 적으로 인코딩하는 것입니다. “갑자기 우리는‘잠깐만 - 아마도 뇌가 시끄럽지 않을 것입니다. 아마도 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 정확할 수도 있습니다.””McCormick은 말했습니다.
Cortexlab의 연구 결과는 Science 에 출판되었습니다 4 월에는 신경 과학자들이 동물의 신경 반응을 해석하는 방법을 다시 생각해야한다는 것을 보여 주었다. (Niell은 인간 기능성 MRI 연구에서 관찰 된 상당한 양의 변동이 조사중인 과제와 관련된 소음이 아닌 임의의 fidgets에 의해 설명 될 수 있다고 지적했다.)“예를 들어, 마우스가 실행될 때마다 마우스가 시작되기 직전 에이 신호를 보았습니다. "그리고 우리는``아마도 그건 마우스가 달리기위한 생각 일뿐입니다.’라고 생각했지만 실제로는 마우스가 휘젓는 마우스입니다.
그러나이 신호는 무엇을하고 있으며 왜 중요한가?
행동으로서의 인식
각 뉴런이 한 번에 여러 활동에 대한 정보를 한 번에 통화 할 수없는 것처럼 보일 수 있지만 Cortexlab 팀은 뇌가 우리가 생각하는 것보다 모든 데이터에 더 쉽게 대처할 수 있음을 발견했습니다. 그들의 분석에 따르면 자극이 보일 때 들어오는 정보는 이미 존재하는 이동 관련 신호 위에 단순히 추가되는 것으로 나타났습니다. 단일 뉴런에서, 이러한 신호는 함께 뒤죽박죽으로 보이며 구별 할 수 없습니다. 그러나 다른 뉴런은 동일한 자극을 전달하지만 다른 배경 행동을 전달할 수 있으므로 충분한 뉴런이 함께 기록되면 시력과 움직임을 괴롭힐 수 있습니다.
따라서 운동 신호는 외부 세계에 대한 감각 정보를 처리하는 동물의 능력을 해치지 않습니다. 그러나 과학자들은 여전히 그러한 신호가 뇌가 더 잘 작동하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 정확하게 탐구해야합니다. 이 발견은 근본적으로 뇌가 행동을 위해 진화했다는 사실을 반영한다. "주어진 시간에 어떤 일을하는 것에 의해 적어도 어느 정도 변조되어 있습니다."
.감각 정보는 환경을 진정으로 인식하는 데 필요한 것의 작은 부분만을 나타냅니다. Niell은“실제로 무엇이 있는지 알아 내기 위해 전 세계에 비해 신체의 운동을 고려해야합니다.”라고 Niell은 말했습니다.
McCormick은“우리는 뇌 가이 모든 것들을 별도로 분석 한 다음 어떻게 든 그것들을 묶었다고 생각했습니다. "글쎄, 우리는 뇌가 이전에 상상했던 것보다 다 감각과 움직임의 혼합 [이전]을 혼합한다는 것을 알기 시작했습니다."
.신체가 들어오는 감각 정보를 맥락화하고 해석하는 방법을 알아야합니다. 달리고 있다면 시각적 세계가 날아가고 시각 피질은 이것이 당신의 움직임에 의해 주도된다는 것을 알아야합니다. 기념비 주위를 돌고 있다면 시각 피질은 20 개의 다른 동상이 아니라 20 개의 다른 각도에서 동일한 조각상을 보지 못했다는 것을 알아야합니다. "이 차이 폭풍의 안정성은 어디에 있습니까?" 맥코믹이 말했다. "그래서이 최근의 작업은 안정성이 어디에 있는지보기 시작했기 때문에이 최근의 작업이 매우 흥미롭고 매우 중요하다고 생각합니다."
.“우리의 두뇌는 우리의 머리 속에서 생각하는 것이 아닙니다. 우리의 두뇌는 우리 몸과 상호 작용하고 있으며 우리가 세상을 이동하는 방식입니다.”라고 Niell은 말했습니다. "당신은‘아, 난 그냥 생각하고’또는‘그냥보고 있습니다.’라고 생각합니다. 당신은 당신의 몸이 그 역할을하고 있다는 사실에 대해 생각하지 않습니다." 따라서 마우스는 움직임 신호를 조기에 통합해야 할 수도 있음이 합리적입니다 (예 :수염의 움직임이 비전을 도와주는 방법이 확실하지 않음)
.사실, 그것은 그 이상으로 갈 수 있습니다. 통합은 활성 감지라고 알려진 것을 촉진하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 동물이 감지하고 찾기를 원하는 정보와 움직임을 적극적으로 조정합니다. 스미어는 현재이 과정에서 이것을 연구하고 있습니다. 그와 그의 동료들은 마우스가 많은 움직임을 스니핑 리듬 (그들의 주요 냄새 정보를받는 주요 수단)과 놀라운 정밀도와 동기화한다는 것을 발견했습니다.
.더 흥미로운 조정은 학습에 도움이 될 수 있습니다.
더 큰 목적
Harris, Stringer 및 동료들은 이러한 감각과 모터 정보의 통합이 강화 학습이 일어날 수있는 정신 발판을 만들어냅니다. 조합의 특정 행동과 자극이 주목할만한 결과와 관련이 있다면, 보상을 받거나 위험에 처하게하는 것입니다. 이런 종류의 신경 코딩은 다음 시간에 이런 종류의 신경 코딩이 다음과 같은 결과를 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다.
Churchland는 운동 신호가 동물이 훨씬 구체적인 방식으로 학습하는 데 도움이 될 수 있다고 제안합니다. 9 월, 실험실의 박사후 연구원 인 Simon Musall과 동료들은 9 월에 과제를 수행하는 마우스에서 뇌 활동을 모니터링 한 실험 결과를 발표했습니다. 동물은 시험을 시작하기 위해 핸들을 잡아서 결정을보고해야했습니다. 비록 그들이 그들의 목표에 초점을 맞추 었음에도 불구하고 그들의 신경 활동은 당면한 임무와 관련이없는 사소한 운동에 전념하는 목소리의 합창으로 계속 폭발했다. Churchland는“우리가 뇌에서 발견 한 대부분의 활동은 결정과 관련이 없었습니다. "동물이 만들고 있던 움직임을 반영하고있었습니다."
이 연구에 관여하지 않은 Niell에 따르면,“실제로 눈에 띄는 것은 동물이 그런 종류의 과제를 수행 할 때에도 우리가 순전히 비전으로 생각하는 모든 [관련없는] 움직임이 신호를 지배하기 위해 들어온다는 것입니다.”
.Churchland와 그녀의 팀은 또한 각 마우스가 훈련을받을 때 그 움직임이 작업에 더 많이 잠겨 있음을 발견했습니다. 예를 들어, 예를 들어, 마우스는 수염을 무작위로 움직일 것이지만, 배운대로, 자극이 제시되었을 때, 그리고 보상이 전달 될 때 특정 시간에 털을 whis 다.
Churchland는 동물이 이러한 유형의 신호를 사용하여 결정을 내릴 수 있다고 추측합니다.“아마도 이것은 의사 결정 과정의 일부일 것입니다.”라고 그녀는 말했다. "아마도 동물, 인간의 경우 생각하고 결정을 내리는 것이 의미하는 것의 일부는 움직이는 것입니다." 그녀는 그것을 야구 선수가 박쥐를 밟기 전에 공연 할 수있는 의식에 비유했습니다. "이 fidgets가 더 큰 목적을 제공하는지 궁금합니다."
Churchland는“사람들은 운동이 인식과 분리되어있는 것으로 생각하는 경향이 있습니다. "우리는이 작업을 감안할 때, 대안적인 관점을 고려해야 할 때가 될 수 있으며, 적어도 일부 주제의 경우 운동은 실제로 인식의 일부라고 생각합니다."
.이 시점에서“일부 주제”는 대부분 설치류를 의미합니다. 과학자들은 이제 이러한 종류의 통합이 영장류 (인간 포함)에서 그리고 비슷한 방식으로 널리 퍼져 있는지 여부를 테스트하기 위해 다른 실험을 수행하고 있습니다.
그럼에도 불구하고 연구자들은이 작품이 인식에 대한 실험을 수행하는 방법의 변화를 예고한다는 데 동의합니다. 즉, 행동에 더 많은주의를 기울여야한다는 것을 보여줍니다.
.통제의 항복
지금까지 신경 과학자들은 더 환원 주의적 경로를 취했습니다. 신경 활동에 대해 우리가 알고있는 대부분은 마취 된 동물의 기록과 나중에 동물에서 수축 된 방식으로 움직였습니다. 실험 자체도 제한되어 있습니다. Niell은이를 "시력 검사"모델이라고 설명합니다. "검안사에게 갈 때, 당신은 거기에 앉아서 수평, 수직, 더 나은, 더 나쁘게, e, t를 말합니다." 그러나 그런 종류의 추상 운동은 우리가 일반적으로 인생에서하는 일을 대표하지 않을 수 있습니다. "우리의 두뇌는 우리가 거기에 앉아서 그것에 대해 아무것도하지 않고 무언가를 보지 않기 위해 진화하지 않았습니다."
.Harris와 Churchland 팀의 새로운 작품조차도 마우스의 머리를 여전히 뇌에서 읽을 수 있도록하는 것과 관련이있었습니다. "동물이 [머리]를 움직일 수 없을 때 뇌가 움직임 신호에 의해 지배된다면, 동물이 움직일 수있을 때 어떻게 생겼습니까?" 번짐이 말했다.
과학자들은 이제 훈련없이 직관적 인 자연 행동을 수행하는 동물을 연구하는 데 가까워지는 추가 접근법을 옹호하고 있습니다. 물론 다른 과제는 다음과 같습니다. 예를 들어 제어되지 않은 설정에서 원인과 결과를 결정하는 것이 더 어렵습니다.
그럼에도 불구하고 Niell은 시력을 사용하여 귀뚜라미를 잡고 먹는 마우스를 공부하기 시작했습니다. "이것은 마우스의 뇌가 할 일을하기 위해 연결되어있는 것입니다."라고 그는 말했습니다. "그리고 그들이 움직이는 작업이기도하므로 운동을 밖에있는 것과 통합해야합니다." 그와 그의 동료들은 이제 이미 발견 된 특정 유형의 이미 발견 된 뉴런이 먹이 포획에서 정확한 행동 역할을 수행한다는 것을 발견했습니다.
Niell은“우리가 이상하거나 특이한 신호라고 생각하는 것은 실제로 동물이 평소에하는 일을 실제로 할 때, 생쥐에게 작은 인간처럼 훈련하지 않게 할 때 의미가있을 수 있습니다.”
.맥코믹은 동의했다. "우리는 뇌에 대한 매우 빈곤 한 견해를 가지고있었습니다." "지금 우리는 완벽한 견해를 가지고 있다고 말하지는 않지만… 우리는 성장해야 할 풍부한 견해를 가지고 있습니다."
.편집자 노트 (2019 년 11 월 8 일 추가) : Cortexlab과 Churchland의 그룹에 의해 실시 된 설명 된 작업은 Simons Foundation으로부터 자금을 받았으며,이 편집자 독립 잡지에도 자금을 지원했습니다.
