MIT：大腦是天生的數學家

麻省理工學院一項新的神經科學研究發現，為了確保快速停止，大腦電路結構避免了緩慢的整合過程，從而有利于更快的分化。你的新公寓就在離公交車站幾個街區遠的地方，但是今天你遲到了，你看到公交車從你身邊駛過。你開始全速沖刺。你的目標是盡可能快地上車，然后在車門關閉前剛好停在車門前(這些車門從來不是在路邊完全相同的地方)。麻省理工學院(MIT)在小鼠身上進行的一項新研究發現，為了快速而準確地停止運動，哺乳動物的大腦巧妙地連接在一起，以實現微積分的原理。有人可能會認為，在全速奔跑后急剎車是一種簡單的反射行為，但趕上一輛公共汽車或徑直跑到一個視覺指示的地標以獲得水獎勵(就像小鼠所做的那樣)，是一種習得的、視覺引導的、目標導向的壯舉。麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所的牛頓神經科學教授Mriganka Sur的實驗室對這類任務很感興趣，在這些任務中，從一種行為(奔跑)切換到另一種行為(停止)的關鍵決定來自大腦皮層，在這里，大腦將學習到的生活規則與感官信息結合起來，以指導計劃和行動。

麻省理工學院大腦與認知科學系的教師Sur說:“目標是大腦皮層發揮作用的地方。我應該在哪里停車才能達到上車的目的呢?”

這也是它變得復雜的地方。該研究的主要作者、博士后Elie Adam建立的行為數學模型預測，從大腦皮層的M2區域直接到腦干區域(實際上控制腿部的區域)的“停止”信號會被處理得太慢。

“M2會發出停止信號，但當你對它進行建模并進行數學計算時，你會發現，這個信號本身不夠快，不足以讓動物及時停止，”Adam說。

那么大腦是如何加速這一過程的呢?Adam、Sur和合著者Taylor Johns發現M2將信號發送到一個叫做下丘腦核(STN)的中間區域，然后該區域發出兩個信號，沿著兩條不同的路徑在腦干中重新匯聚。為什么?因為這兩個信號，一個是抑制性的，一個是興奮性的，一個接一個地產生的差異，把問題從積分，這個相對緩慢的輸入疊加，變成了微分，這是對變化的直接識別。微積分中的移位實現停止信號要快得多。

Adam的模型采用了工程學的系統和控制理論，準確地預測了正確停車所需的速度，并且認為要實現這一目標，必須進行分化，但還需要一系列的解剖研究和實驗操作來證實模型的預測。

首先，Adam證實，M2確實只在小鼠需要達到訓練目標(即在路標處停下來)時才會產生神經活動的激增。他還展示了它正在向STN發送產生的信號。由于其他原因，其他站點不采用這條路徑。此外，人工激活M2-STN通路會迫使小鼠停止，而人工抑制M2-STN通路會使小鼠更頻繁地越過標志物。然后，STN當然需要給腦干發送信號，特別是中腦運動區域的橋腳核(PPN)。但是，當科學家觀察M2中開始的神經活動，然后迅速產生PPN時，他們發現PPN中不同類型的細胞的反應時間不同。特別是，在停止之前，興奮細胞是活躍的，它們的活動反映了動物在停止期間的速度。然后，觀察STN，他們看到了兩種在停止前后的活動，一種比另一種稍慢，通過興奮直接傳遞到PPN，或通過抑制間接通過黑質網狀部(SNr)。這些信號在PPN中相互作用的最終結果是抑制被激發而加劇。這種突然的變化可以很快通過差異化來實現停止。

Sur說:“興奮之后的抑制性激增會產生一個急劇的信號變化。”

這項研究與最近的其他論文相吻合。亞當與皮考爾研究所的研究員埃默里·N·布朗(Emery N. Brown)合作，最近制作了一種新的模型，用來研究對STN進行深度腦刺激如何快速糾正帕金森病導致的運動問題。去年，包括亞當在內的Sur實驗室成員發表了一項研究，展示了在視覺引導的運動任務中，大腦皮層如何覆蓋大腦中更根深蒂固的反射。這些研究有助于理解大腦皮層如何有意識地本能地控制運動行為，以及更深層次的區域，如STN，對快速實施目標導向行為有多重要。實驗室最近的一篇綜述闡述了這一點。

Adam推測，大腦皮層到STN通信的“超直接通路”可能具有比快速停止行動更廣泛的作用，可能超出運動控制，擴展到其他大腦功能，如思維或情緒的中斷和切換。