神经科学难题200年后取得重大突破 来自葡萄牙的研究

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北京时间8月13日,发表在《Nature Neuroscience》上的一项研究,来自红心弥胡桃 牙里斯本Champalimaud未知中心的研究团队除理了1个 长达30年历史的神经科学问题。多少世纪以来,精神世界和物质世界被认为是完正不同的1个 世界。实在无生命物体的运动都要通过数学来测量和证明,但生物体的行为似乎意识控制的不同力量塑造的。

相当于30年前,德国医生Ernst Heinrich Weber做了1个 看似无害的观察,由此诞生了心理物理学这门学科,它是研究心物关系并使之数量化的1个 心理学,涉及物理刺激及头脑中唤起的感觉。在实验中,Weber要求受试者判别出有一种稍微不同的重量中哪有一种更重。通过那先 实验,他发现受试者做出正确选则 的概率只取决于权衡之间的比例。

Weber

举例来说,假如有一天1个 受试者在比较1千克和1.1千克的重量时有75%的正确率,越来越 当他比较2千克和2.2千克的1个 重量时,正确率也将达到75%。通常,任意1个 重量比完后 重10%的情況下都将越来越 。你你这个简单但精确的规则为根据数学定律对行为进行量化打开了大门。

从那完后 ,Weber的观察被推广到你你这个动物物种的感知法律办法,从而形成了现在所知的韦伯定律。它是心理物理学中最古老且最选则 的定律。心理物理定律描述了感知的精确规则,假如有一天非常重要,假如有一天它们都要用来从大脑过程中获得行为的数学解释,就像行星在天空中的精确运动模式对于理解引力一样有用。

多年来,我们我们我们我们我们我们我们我们我们对韦伯定律提出了你你这个解释。实在我们我们我们我们我们我们当我们我们我们能解释韦伯的发现,但还越来越 找到实验测试来选则 哪种模型是正确的。假如有一天,韦伯定律的数学解释之谜仍然悬而未决。

来自红心弥胡桃 牙里斯本Champalimaud未知中心Alfonso Renart的研究团队发现,韦伯定律都要被描述为有一种新的心理物理规则,该规则涉及做出选则 所需的时间,而不仅仅是结果。假如有一天,该研究团队假如有一天证明,你你这个新规则足以推导出1个 独特而准确的数学模型,描述韦伯定律手中的认知过程。

时间是关键

在这项新研究中,Alfonso Renart的团队训练大鼠判别有一种数率略有差异的声音。我们我们我们我们我们我们我们我们我们专门制造了有一种不得劲适合大鼠头部的微型耳机,并用它们并肩向其两只耳朵传递声音。

在每次试验中,1个 扬声器中的1个 的音量会稍微大你你这个,而小鼠的任务是报告哪1个 扬声器的音量更大,并指向相应的一侧。

图片来源:《Nature Neuroscience》

研究第一作者Jose Pardo-Vazquez解释说:“你你这个行为对大鼠来说很自然,假如有一天它们的头会朝向声音的来源,就像我们我们我们我们我们我们我们我们我们一样。”大鼠都要在都要的完后 体验你你这个声音,以便做出决定。假如有一天,每次尝试都提供了选则 和决策时间。

Pardo-Vazquez说:“我们我们我们我们我们我们我们我们我们的实验证实,那先 动物的行为符合韦伯定律。它们分辨这有一种声音中哪有一种音量更大的能力只取决于这有一种声音数率之间的比例。假如有一天让它们比较有一种柔和播放的声音数率,假如有一天有一种声音的数率比相同,动物的准确率就和有一种大声播放的声音一样。”

图片来源:《Nature Neuroscience》

假如有一天,研究团队现在结束完正分析大鼠做出决定所花费的时间,你你这个步但是 被证明是至关重要的。Pardo-Vazquez解释道:“通常,韦伯定律的研究集中在判别的准确性上,这也是韦伯你这本人 所描述的。令人惊讶的是,花在决策上的时间几乎越来越 受到关注。”

该团队意识到,决策时间和这有一种声音的数率是相关联的,即音量越大,决策时间越短。事实上,我们我们我们我们我们我们我们我们我们表明你你这个联系的本质是独特的,假如有一天在数学上是精确的,都要在1个 安静声音之间的判别中观察到决策时间。类似于,受试者区分1个 响亮声音之间时所测量的决策时间恰好成正比(假如有一天声音的相对数率是恒定的)。

超越韦伯定律

事实上,除了韦伯定律之外,该团队发现了有一种新的心理物理定律,我们我们我们我们我们我们我们我们我们称之为“判别中的时间数率等效” (TIED),假如有一天它将有一种声音的整体数率与判别它们所用的时间联系起来。你你这个联系比韦伯定律更为严格,假如有一天它不仅联系了成对判别的准确性,还联系了它们相关的决策时间。Pardo-Vazquez说:“在我们我们我们我们我们我们我们我们我们的实验中,决策时间之间的你你这个关系的精确度是惊人的。用越来越 精确的数学来描述动物的行为是不寻常的。”

图片来源:《Nature Neuroscience》

为了研究TIED在不同条件下是是不是都都可不上能保持平衡,该团队对人类受试者进行了同样实验,并获得了类似于的结果。我们我们我们我们我们我们我们我们我们还分析了你这本人 的实验,在那先 实验中,大鼠对混合气味进行嗅觉判别,同样得到了相同的结果。Pardo-Vazquez说:“现在说TIED是是不是与韦伯定律一样普遍还为时尚早,但我们我们我们我们我们我们我们我们我们在1个 物种和有一种感官模式中得到了同样的结果,这是令人鼓舞的第一步。”

接近正确的模型

多年来,科学家们假如有一天提出了几十种数学模型来解释韦伯定律,但越来越 明确的实验测试来区分它们。研究人员表示,TIED提供了一根绳子 前进的道路。我们我们我们我们我们我们我们我们我们的分析表明,为了与TIED保持一致,判别任务的数学模型都要满足一组严格的条件。

该研究合著者Juan Castineiras说:“这我们我们我们我们我们我们我们我们我们说太棒了!TIED限制了假如有一天的解释,从而除理了韦伯定律中你你这个模型之间的模糊性。”

20世纪30年代末,心理学家Stephen Link提出的1个 模型曾接近除理方案,但她忽略了1个 重要的条件,即描述感官刺激的数率是何如被感觉神经元的活动编码的。

最后一步是利用那先 条件,建立1个 模型来测试它对大鼠行为的准确程度。Castineiras说:“我们我们我们我们我们我们我们我们我们用尽假如有一天少的参数分析了最简单的模型。当选则 那先 参数值来最大限度地接近大鼠的行为时,我们我们我们我们我们我们我们我们我们发现模型的拟合是显著的。即使是最简单的模型我们我们我们我们我们我们我们我们我们都都可不上能有效地捕捉到几乎越来越 误差就都要测量的一切。该模型描述了感知何如工作的真实情況,这极大地增强了我们我们我们我们我们我们我们我们我们的信心。”

精确的实验和理论取得了明确的进展

假如有一天新的心理物理定律和描述实验数据数学模型的精确性,那先 结果在我们我们我们我们我们我们我们我们我们的领域中脱颖而出。Renart说:“尽管在生物学和行为研究中很少被观察到,但精确的实验结果都都都可不上能提供精确的解释,从而消除先前的模棱两可,实现了进步。”类似于,我们我们我们我们我们我们我们我们我们的结果表明,心理物理学的1个 主要理论不足以描述你你这个联系。Castineiras语句:“在神经科学领域,用数学解释来排除相互矛盾的理论是非常罕见的,假如有一天总有假如有一天对1个 模型稍加修改,使其与实验数据相兼容。我们我们我们我们我们我们我们我们我们发现,心理物理学中1个 非常有影响力的理论,称为信号检测理论,它越来越 对决策时间进行建模,假如有一天无法描述TIED。它忽略了解释韦伯定律的本质。”

该研究团队的下1个 目标之一是要了解我们我们我们我们我们我们我们我们我们假如有一天选则 的数学模型是何如通过大脑实现的。Renart总结道:“我们我们我们我们我们我们我们我们我们你要选则 那先 大脑区域在我们我们我们我们我们我们我们我们我们的任务中是重要的,以及那先 神经元何如执行模型的不同计算元素。“

关于神经科学

神经科学数学指寻求解释神智活动的生物学机制,即细胞生物学和分子生物学机制的科学。神经科学寻求了解在发育过程中装配起来的神经回路是何如感受付近世界、何如实施行为的,它们又何如从记忆中找回知觉,一旦找回完后 ,它们还能对知觉的记忆有所作用。

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