神经科学家遇到了一个问题。几十年来，研究人员一直有一个理论，关于动物的大脑如何在没有外界线索的情况下跟踪自己相对于周围环境的位置——就像我们闭着眼睛也知道自己在哪里一样。
根据这一基于啮齿动物大脑记录的理论，被称为环形吸引器网络的神经元网络维持着一个内部指南针，可以跟踪你在世界上的位置。一个精确的内部指南针被认为需要一个包含许多神经元的大网络，而一个包含很少神经元的小网络会导致指南针的指针漂移，从而产生误差。
然后，研究人员在这种小果蝇体内发现了一个内部指南针。
“苍蝇的指南针非常精确，但它是由一个非常小的网络建立的，这与之前的理论假设相反，”Janelia小组组长Ann Hermundstad说。“所以，我们对大脑罗盘的理解显然存在差距。”
现在，由HHMI Janelia研究校区Hermundstad实验室的博士后Marcella Noorman领导的研究解释了这个难题。这一新理论展示了如何用一个非常小的网络来创造一个完全精确的内部指南针，就像果蝇一样。研究结果发表在《自然神经科学》杂志上。
这项工作改变了神经科学家对大脑如何执行许多任务的看法，从工作记忆到导航再到决策。
“这确实扩展了我们对小型网络的认识，”诺曼说。“它们实际上可以做比以前已知的复杂得多的计算。”
当诺曼在2019年到达珍妮亚时，她遇到了赫尔蒙斯塔德和其他人一直困惑的问题:果蝇的小大脑是如何产生精确的内部指南针的?
诺曼首先证明，你不能用一个小的神经元网络产生一个环形吸引器，但你需要添加“额外的东西”——比如其他细胞类型和细胞更详细的生物物理特性——才能让它起作用。为了做到这一点，她从现有模型中剥离了所有“多余的东西”，看看她是否可以用剩下的东西产生一个环形吸引子。她认为这是不可能的。
但诺曼很难证明她的假设。就在那时，她决定需要一种不同的方法。
她说:“我不得不改变我的思维方式，思考，好吧，也许是因为你可以用一个小网络产生一个环形吸引子，然后找出这个网络必须满足的特定条件才能实现这一目标。”
通过改变她的假设，诺曼发现，事实上，只要仔细调整它们之间的连接，就有可能产生一个只有四个神经元的环形吸引子。诺曼和Janelia的其他研究人员在实验室里测试了这个新理论，发现了苍蝇大脑可以产生环形吸引子的生理证据。
“更小的网络和更小的大脑可以执行比我们以前认为的更复杂的计算，”诺曼说。“但是，要做到这一点，神经元必须比在更大的大脑中更精确地连接起来，否则你可以使用很多神经元来执行相同的计算。”
她说:“因此，在你使用多少神经元进行计算和你必须如何小心地连接它们之间存在权衡。”
接下来，研究人员计划探索“额外的东西”是否可以为环吸引子网络提供额外的鲁棒性，以及基础计算是否可以作为具有多个变量的更大网络中更复杂计算的构建块。额外的实验也可以帮助研究人员了解网络中神经元之间的连接是如何调整的，以及感觉线索是如何影响网络对头部方向的表征的。
对于从数学家转行成为神经科学家的诺曼来说，如何将生物学转化为一个可以解决的数学问题是一件既具有挑战性又有趣的事情。
“苍蝇的头部方向系统是我所见过的第一个神经活动的例子，所以真正弄清楚它是如何工作的是很有趣的，”她说。
更多信息:Marcella Noorman等人，用少量神经元维持和更新连续变量的准确内部表示，Nature Neuroscience(2024)。引文:根据新的理论研究(2024年10月3日)，小脑可以成就大事。本文受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
