《Neuron》前所未有同时记录一百万个神经元的活动

一项利用先进成像技术追踪小鼠100万个神经元的新研究发现，超过90%的大脑活动(以前被认为是噪音)包含重要信号，揭示了哺乳动物大脑被低估的复杂性。

　　

哺乳动物的大脑是一个由紧密相连的神经元组成的网络，然而神经科学中的一个谜团是，科学家如何利用捕捉到相对较少的大脑活动组成部分的工具来预测小鼠的行为。很难相信大脑的复杂性很大程度上是无关的背景噪音。

现在，《Neuron》杂志上的一项新研究前所未有地同时记录了小鼠一百万个神经元的活动，为这个基本问题提供了一个令人惊讶的答案:技术限制误导了我们，大脑的功能远比我们曾经认为的要多。

“以前关于大脑动态的真实维度的假设可能是由于缺乏从足够多的神经元中记录的能力，”洛克菲勒的Alipasha Vaziri说:“我们想知道为什么会进化出这样一个冗余且代谢成本很高的方案。”

使用Vaziri实验室开发的一种定制技术，研究人员发现，他们在神经活动中观察到的90%以上的维度(为了描述观察到的包含不同于噪声的信号的神经元动力学所需要的独立成分)与研究小鼠的任何自发运动或感觉输入无关。数千个这样的维度，包含了小鼠累积神经活动的一半以上，在空间和时间上分布在大脑中，没有在任何一个区域形成明显的集群，时间从几分钟到不到几秒钟不等。

小鼠显然是在利用这种无处不在、持续不断的活动来达到某种目的。但是为什么呢?“我们仍然不知道，但这绝对是一个不同于噪音的信号，”Vaziri说。“它可以为各种复杂的内部状态或神经计算提供一个窗口。”

神经闪光

Vaziri的实验室专注于光学技术的发展，以促进神经科学的发展，并允许观察分布在大脑中的许多神经元的同时活动。2021年，该实验室开发了光珠显微镜，这是一种双光子成像技术，可以将同时记录的神经元数量增加100倍。为了对这项技术进行测试，研究人员首次记录了小鼠整个大脑皮层中超过100万个神经元的活动，同时通过多个摄像机从不同角度观察动物进行自发和未经指导的行为，例如在跑步机上跑步或梳理毛发。

在证明了该工具的有效性后，实验室开始对使用它来解决神经生物学中的基本问题感兴趣。Vaziri说:“我们有一种工具，可以让我们发现其他技术无法发现的东西。所以我们试着问一些只有这样的工具才能回答的问题。也就是说:当我们从越来越多的神经元中记录信息时，我们提取了多少信息，这些信息代表了什么?”

为了进行调查，研究人员将LBM与先进的数据分析、计算建模和机器学习技术相结合，研究小鼠自发移动和对环境做出反应时的神经活动。

失踪的90%

与动物运动相关的神经活动被简化成一个低维子空间，这使得以前可以记录更少神经元的技术能够识别这些连接。Vaziri说:“然而，多亏了LBM的能力，我们才发现超过90%的剩余维度包含与噪音不同的可靠信号，这些信号不是行为所必需的，也不能用环境刺激来解释。”

出乎意料的是，这些神经元也到处放电。“他们在干什么?我们不知道，”Vaziri说。“它们可能是全脑相关神经波动网络的基础，可能与饥饿或动机等某种内部状态动态有关。”

这一点如何适用于人类大脑还远未解决(“人类的大脑是海洋，而小鼠的大脑是池塘，”Vaziri说)，但这些发现强烈表明，我们才刚刚开始了解哺乳动物大脑的真正复杂性。

一种新型的天文台

LBM是将在洛克菲勒大脑天文台找到一个家的关键仪器之一，这是由Vaziri牵头的一项新计划，旨在为神经科学家提供开创性的、商业上不可用的仪器，“这些仪器可以做其他不可能做的事情，”Vaziri说。

该设施类似于天文台，在那里访问的科学家将能够在强大的仪器上进行研究。他说:“我们的想法是，人们在使用中心的显微镜进行研究时，将得到工作人员的支持。这是我们想向洛克菲勒社区开放的东西，也是向来自世界各地的神经科学家开放的东西。”

Vaziri和他的团队也在帮助包括斯坦福大学和伦敦大学学院在内的几所大学的研究人员在他们自己的神经科学实验室中复制LBM技术。他们从目前的研究中收集的数据也可供其他研究人员分析。

他们还希望扩大LBM的适用范围。Vaziri说:“例如，我们欢迎研究小组研究小鼠以外的不同模型系统——昆虫、非人类灵长类动物等等——所以我们需要更通用、更健壮、更用户友好的LBM版本。”

参考文献:“Simultaneous, cortex-wide dynamics of up to 1 million neurons reveal unbounded scaling of dimensionality with neuron number” by Jason Manley, Sihao Lu, Kevin Barber, Jeffrey Demas, Hyewon Kim, David Meyer, Francisca Martínez Traub and Alipasha Vaziri, 6 March 2024, Neuron.