追问daily | 人工神经网络获2024诺贝尔物理学奖；光学方法或高估神经信号的频率；为何没有听觉魔术？

█脑科学动态

基于神经连接图谱预测果蝇视觉系统功能的新突破

压力如何通过表观遗传途径影响精神疾病的发生？

新型非线性动态模型揭示神经活动与行为的复杂关系

全身麻醉如何影响大脑预测与意识的联结机制

神经外科患者的成像首次揭示大脑中废物清除途径

光学方法或高估神经信号的频率

大脑决策中的神经活动可能与选择无关

为什么没有听觉魔术？

█AI行业动态

基因调节“microRNA”荣获诺贝尔生理学或医学奖

人工神经网络荣获诺贝尔物理学奖

█AI研发动态

DPAD：利用AI揭示大脑活动与行为之间的复杂非线性模式

人工智能揭示胶质母细胞瘤中性别差异的风险特征

超薄光学设备助力精准监控与刺激哺乳动物大脑

合成数据加速医疗研究，提升机器学习应用

新型脑机接口算法：低功耗硬件实现精准解码

脑科学动态

基于神经连接图谱预测果蝇视觉系统功能的新突破

果蝇视觉系统的复杂性长期吸引了神经科学家们的关注。过去几十年来，尽管果蝇视觉系统的神经元结构被广泛研究，尤其是视叶（optic lobe）中的Dm3神经元的结构已经被清晰定义，但其功能仍未被完全了解。此次，来自普林斯顿大学的研究团队，通过利用连接组学技术，预测这些神经元的功能，进一步揭示了它们在果蝇视觉中的作用，特别是在形状视觉处理中的潜在功能。这项研究展示了神经网络与果蝇视觉系统之间的类比，揭示了视觉系统的复杂连接模式。

该研究通过将果蝇视觉系统中的神经元连接图谱与人工智能中的卷积神经网络进行比较，推测Dm3和TmY细胞在果蝇形状视觉中的作用。研究人员分析了Tm1和Dm3、Tm1和TmY之间的连接模式，提出这些细胞的连接可以类比为卷积核，用于检测视觉刺激的局部方向。尤其是TmY细胞的感受野（ERFs）被预测为由复杂的兴奋性和抑制性通路重叠形成，类似于哺乳动物V1视觉皮层中被称为“共线促进”的现象，即当刺激位于感受野末端时，可以增强对感受野内刺激的响应。

这一预测还提出，TmY和Dm3细胞可能通过复杂的多突触通路来调控果蝇的视觉感知，尤其是在处理噪声、虚幻轮廓和方向选择性时具有重要作用。研究还表明，这些神经元可能形成更复杂的特征检测机制，类似于CNN中的高级特征检测器。在此基础上，该研究进一步推测，这些神经连接的复杂性受限于神经连接组，这为未来通过遗传工具操控神经元功能提供了新机会。此外，研究中还提到，类似的“线状无长突细胞”（line amacrine cells）在多种昆虫中都有发现，特别是蜜蜂，这为未来对比果蝇和蜜蜂视觉系统的研究提供了基础。研究发表在 Nature 上。

#神经技术 #视觉神经元 #连接组学 #果蝇 #卷积神经网络

阅读论文：

压力如何通过表观遗传途径影响精神疾病的发生？

西奈山伊坎医学院的研究团队Angelica Torres-Berrio、 Eric J. Nestler等人发现了组蛋白H3的单甲基化修饰（H3K27me1）在小鼠大脑中与压力相关的长期表观遗传变化。这一发现为理解压力如何通过表观遗传途径影响精神疾病的发生提供了新视角。

研究团队通过对经历早期生活压力（ELS）或长期社会挫败压力（CSDS）的小鼠进行分析，发现伏隔核（NAc）中H3K27me1修饰显著富集。团队采用无偏蛋白质组学技术，结合CUT & RUN方法，识别出H3K27me1主要富集在与神经元兴奋性和神经递质传递相关的基因上。这些基因调控离子通道和突触受体功能，尤其在D1型中间棘状神经元中起重要作用。随后，研究人员通过操控SUZ12蛋白的VEFS结构域，进一步验证了这一修饰的作用。这种操控不仅增加了H3K27me1的富集，还导致了小鼠的行为和转录变化，包括社交回避和低动机等压力易感表现。研究首次揭示了H3K27me1在大脑中作为“染色质疤痕”影响压力易感性的机制。研究结果发表在 Neuron 期刊上。

#大脑健康 #组蛋白修饰 #压力易感性 #伏隔核 #表观遗传

阅读论文：

新型非线性动态模型揭示神经活动与行为的复杂关系

神经科学研究的重要目标之一是理解并建模神经元群体的动态活动如何引发特定的行为。加州大学南加州分校的Omid G. Sani、宾夕法尼亚大学的Bijan Pesaran和Maryam M. Shanechi带领的团队，提出了一个基于递归神经网络（RNN）的新型非线性动态建模框架，以解决传统线性模型在神经活动复杂性上的局限性。

该团队开发的模型名为“动态优先分析”（DPAD），通过多层神经网络结构和四步优化算法，重点学习与行为相关的神经动态，并同时解析剩余的神经动态。为了验证该模型的有效性，研究团队应用DPAD分析了灵长类动物在四种运动任务中的神经元尖峰放电和局部场电位的数据。结果表明，DPAD能够更准确地预测神经与行为的关系，并揭示了局部场电位中的非线性变化，这些变化比传统的功率特征更能预测行为。此外，DPAD还实现了非线性的神经降维，能够对神经行为转化中的非线性进行假设检验。在连续、间歇采样和分类行为数据的不同情况下，DPAD均展现了其强大的建模能力。研究发表在 Nature Neuroscience 上。

#神经技术 #非线性动态模型 #递归神经网络 #神经行为预测 #灵长类研究

阅读论文：

全身麻醉如何影响大脑预测与意识的联结机制

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所与范德比尔特大学心理学系的研究团队合作，探索全身麻醉对大脑预测能力和意识的影响。该研究由Earl K. Miller和Andre Bastos联合领导，研究发现了麻醉状态下大脑前后部区域的沟通中断，揭示了意识形成过程中大脑各区域的协同作用。

研究团队通过异丙酚（propofol）麻醉实验，对猕猴大脑的不同区域进行了神经活动的记录。研究使用了α/β波和γ波，分析了大脑在清醒和麻醉状态下对感官刺激的预测能力。在清醒状态下，高级认知区域通过α/β波向感官区域传递预测，并抑制γ波。然而在麻醉状态下，这一调控机制被削弱，感官区域虽然仍能检测到简单的意外事件，但无法通过γ波与高级区域进行有效沟通。结果表明，意识的丧失与大脑前额叶皮层和感官区域之间的同步失调密切相关。这一发现为现有的意识理论提供了新的限制条件，并揭示了大脑预测功能与意识之间的密切关系。研究发表在 PNAS 上。

#神经科学 #意识 #预测编码 #α/β波 #全身麻醉

阅读论文：

神经外科患者成像首次揭示大脑的废物清除途径

该研究由俄勒冈健康与科学大学的Erin Yamamoto, M.D. 和 Juan Piantino, M.D. 领导，揭示了大脑中胶质淋巴系统（glymphatic system）通道的存在。此前，这一系统仅在啮齿动物中通过成像技术观察到，其作用被认为是清除代谢废物，如阿尔茨海默病患者大脑中发现的淀粉样蛋白和tau蛋白。该研究在人类中首次证实了这一网络的存在，并为未来的药物开发和生活方式干预措施提供了科学依据。

研究对象为五名接受脑部肿瘤切除手术的患者，研究团队通过术中引流使用的对比剂，结合增强型磁共振成像（MRI）技术，记录了脑脊液沿周围血管间隙流动的影像。结果显示，脑脊液通过这些清晰定义的通道进入脑实质，证实了胶质淋巴系统在人类中的存在。此外，研究还表明该系统对代谢废物的清除作用尤为关键，尤其是在深度睡眠时，脑脊液流动更加高效。这一发现为当前关于睡眠、药物和生活方式对脑健康的研究提供了实证依据，支持了通过改善睡眠质量促进脑废物清除的生活方式干预措施。该研究发表在 PNAS 上。

#大脑健康 #胶淋巴系统 #磁共振成像 #阿尔茨海默病

阅读论文：

光学方法或高估神经信号的频率

康涅狄格大学医学院 Antic 实验室的神经科学家 Katarina Milicevic 和 Violetta Ivanova 领导的团队致力于研究阿尔茨海默病对神经信号的影响。他们探讨了常用的光学钙成像法（Calcium Imaging）是否存在高估神经元活动的问题。该方法通过观察钙离子波动来测量神经元的信号传递，广泛应用于神经科学研究中。

研究团队通过将电极插入个别神经元，实时记录电信号，同时使用光学方法记录钙信号，发现光学信号有时出现比实际神经信号频率更高的情况。这是因为在一些情况下，钙离子的微弱波动（次阈值去极化波）虽然无法引发完整的神经冲动，但足以让光学染料发出闪光。这种情况在数据中表现为“去极化平台”，这些平台信号与动作电位结合时，会使光学信号的亮度增强，误导观测结果，导致看似多次神经冲动发生。

团队还发现，即使没有动作电位，仅有持续时间超过200毫秒、振幅超过10mV的去极化平台也能够触发显著的光学信号。因此，钙成像中的瞬变不应简单地与神经元动作电位等同，而应进一步研究其背后的机制。该研究为未来在神经信号监测中的光学方法应用提出了新的挑战，促使科学家重新审视该方法的可靠性。研究发表在 Scientific Reports 上。

#神经技术 #钙成像 #动作电位 #去极化平台 #阿尔茨海默病

阅读论文：

大脑决策中的神经活动可能与选择无关

布朗大学和伯明翰大学的研究人员发现，人类在进行价值决策时，大脑中的一些神经活动可能并不直接与选择本身相关。这项研究由 Romy Froemer 和 Amitai Shenhav 等科学家领导，目的是进一步揭示决策过程中不同神经信号的独特作用。

研究人员通过脑电图（EEG）技术，实时记录了参与者在不同选择情境中的大脑活动。实验中的决策包括两种重要的神经信号：一是与选项的感受评价相关的信号（Appraisal），二是与选择难度相关的信号（Choice）。研究表明，感受评价的神经活动出现在选项展示后不久，而与选择难度相关的信号则出现在接近决策时。令人惊讶的是，这些信号并不符合“证据积累”理论，即大脑在做出选择前会逐步积累证据的假设。研究还对四项之前的研究数据进行了重新分析，发现当将感受和选择的神经信号共同建模时，证据积累的信号不再出现。这意味着传统的决策模型可能需要重新审视，研究人员还推测，难度相关的信号可能反映的是指导和评估决策过程的机制，而非选择本身。这项研究发表在 Nature Human Behaviour 上。

#认知科学 #价值决策 #神经活动 #EEG #证据积累

阅读论文：

为什么没有听觉魔术？

魔术通常依赖视觉感知，而仅依赖听觉的魔术却极为罕见。为了探讨这一现象背后的原因，普利茅斯大学心理学副教授 Gustav Kuhn 领导的研究团队进行了深入研究，试图了解为什么魔术创作几乎从未涉及听觉感知。研究人员认为，这一问题的答案不仅关乎魔术艺术本身，更涉及人类大脑如何处理感知信息。

研究团队首先分析了视觉和听觉信息在大脑中的处理方式。他们指出，人类的视觉感知通常反映了世界的当前状态，具有稳定性，而听觉感知则更加短暂，往往是对过去事件的反映。例如，在视觉魔术中，魔术师可以通过改变观众的视觉感知来创造“物体突然消失”的幻觉。然而，在听觉感知中，声音传达的往往是过去的事件，这使得操纵听觉感知来制造持续的错觉变得困难。

为了进一步验证这一理论，团队发起了一项魔术比赛，邀请魔术师们尝试仅依靠声音设计魔术。这一比赛结果将在2024年11月揭晓，研究团队希望通过这种实际测试，进一步探讨听觉感知在魔术创作中的可能性，并为未来的研究提供更多数据。研究发表在 Trends in Cognitive Sciences 上。

#认知科学 #听觉魔术 #感知研究 #视觉与听觉

阅读论文：

AI 行业动态

基因调节“microRNA”荣获诺贝尔生理学或医学奖

2024年诺贝尔生理学或医学奖授予了两位遗传学研究人员——Victor Ambros和Gary Ruvkun，表彰他们对微小RNA（microRNA）分子的开创性发现。这类微小RNA分子在多细胞生物中通过调控基因表达，发挥了关键作用。

他们的突破始于对一种名为秀丽隐杆线虫的研究。他们发现，lin-4和lin-14基因的突变会影响线虫的胚胎发育，进一步研究表明，lin-4并非编码蛋白质，而是产生一段短链RNA，即微小RNA。微小RNA通过阻止信使RNA的翻译，进而抑制蛋白质的生成。

最初，人们认为这种现象仅限于线虫，但随着2000年Ruvkun团队在其他物种中发现相似的微小RNA，这一认知被彻底打破。此发现标志着基因调控领域的一次重要飞跃，揭示了此前被忽视的一层基因调控机制。

如今，微小RNA在哺乳动物发育、细胞生理学、行为等方面的作用备受关注，研究人员正在探索其在疾病治疗中的潜力。尽管微小RNA药物仍处于早期阶段，但这一发现已为未来的医学研究提供了新的方向。

#诺贝尔奖 #微小RNA #基因调控 #线虫 #生理学