研究者たちは、記憶を時間内に整理するための重要な脳のメカニズムを発見しました。
新しい研究では、脳の海馬領域が記憶をシーケンスに編成する基本的なメカニズムの発見と、これを使用して将来の行動を計画する方法について詳しく説明しています。
この発見は、アルツハイマー病や他の形態の認知症などの認知障害における記憶障害を理解するための重要な初期段階である可能性があります。
齧歯動物の電気生理学的記録技術と膨大な量のデータの統計的機械学習分析を組み合わせることで、研究者たちは、 海馬 ネットワークは、意思決定を支援するために、経験の進行をエンコードして保存します。
「私たちの脳は、特定の経験や出来事がいつ発生したかをかなりよく記録しています。 この能力は私たちの日常生活で機能するのに役立ちますが、この研究の前には、これらのプロセスの背後にある神経メカニズムについて明確な考えがありませんでした」と、カリフォルニア大学の神経生物学および行動の准教授である対応する著者のNorbertFortinは述べています。アーバイン。
「それがすべての人とつながるのは、このタイプの記憶がさまざまな神経障害または単に加齢によって強く損なわれるということです。したがって、この脳機能がどのように機能するかを本当に知る必要があります。」
完了するまでにXNUMX年以上かかったこのプロジェクトには、実験段階とデータ分析段階が含まれていました。 研究者らは、一連の匂い識別テストを受けたラットの脳のニューロンの発火を監視しました。 XNUMXつの異なるものを提示することによって 匂い さまざまなシーケンスで、科学者は正しいシーケンスの動物の記憶を測定し、彼らの脳がこれらの連続した関係をどのように捉えたかを検出することができました。
「私が考えるアナロジーはコンピューティングです」とFortinは言います。 「もし私があなたの脳に電極を突き刺すとしたら、私たちはできません。 そのため、ラットを使用しています。どの細胞が発火しているか、どの細胞が発火していないかを確認できました。 これにより、脳が情報をどのように表現および計算するかについての洞察が得られます。 構造に活動パターンを記録すると、コンピューターにXNUMXとXNUMXが表示されているように見えます。」
数分間にわたってミリ秒間隔で取得されたニューロンの活動と非活動の測定値は、脳の機能の動的な画像を示します。 フォーティンは、彼と彼の同僚は、ある意味で、細胞の「コーディング」（発火している細胞と発火していない細胞）をすばやく連続して見ることで、被験者の「心を読む」ことができたと言います。
素早く動く
「何かについて考えているとき、それは素早く動きます」と彼は言います。 「あなたは長い間その記憶にとらわれていません。 現在、それは表現されていますが、それがどのように急速に変化するかを見ることができます。」
Fortinは、海馬の活動を読み取ると膨大な量の生データが得られることを早くから知っていました。 プロジェクトの初期段階から、彼はドナルドブレン情報コンピュータサイエンス学部に統計家の参加を求めました。
「私の研究室で当時私たちが持っていた神経科学の質問は、私たちが持っていた統計的知識にはあまりにも進んでいました。 そのため、データサイエンスの専門知識を持つパートナーを関与させる必要がありました」とFortin氏は言います。
「これらの新しい神経科学研究は、データが複雑であるため、データサイエンスの手法に依存しています」と、統計学の教授である上級共著者のBabakShahbabaは述べています。 「脳の活動はミリ秒単位で記録され、これらの実験はXNUMX時間以上実行されるため、データ量がどれだけ速く増加するかを想像することができます。 神経科学者は、想像していたものの実装できなかったものを達成するために、より高度な技術を必要とするようになりました。」
彼は、ニューロンが記憶などの情報をエンコードするとき、科学者は、集合的にアンサンブルとして知られている、記録されたすべてのニューロンにわたるスパイク活動のパターンを調べることによって、そのプロセスを垣間見ることができると述べています。
「これらの神経パターンを画像として扱うことができることがわかりました。これにより、深層機械学習手法を適用する能力が解き放たれました」とShahbaba氏は言います。 「私たちは、顔認識などの画像処理アプリケーションで頻繁に使用される方法論である畳み込みニューラルネットワークを使用してデータを分析しました。」
このようにして、研究者は情報を取得するためにニューロンの発火を解読することができました。
「A、C、Dの署名と同じように、匂いBの署名がどのように見えるかを知っています」とFortin氏は言います。 「そのため、被験者がまだ起こっていないことを予期しているときなど、これらの署名が別の時点でいつ再表示されるかを確認できます。 将来について考えているときに、これらの署名がすぐに再生されるのを目にしています。」
Shahbabaは、このプロジェクトで開発されたツールと方法論は幅広い問題に適用できると述べており、Fortinは彼の調査範囲を他の脳領域にまで拡大する可能性があります。
著者について
作品は ネイチャー·コミュニケーションズ.
資金は、国立衛生研究所、国立科学財団、およびホワイトホール財団から提供されました。
情報源： UCアーバイン
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