Roinnt teorainneacha ar chúisíocht a léirmhíniú i dturgnaimh néareolaíochta

Tá ár gcuid fiddling go léir san inchinn osnádúrtha

“Anailísiú” le Aneeque Ahmed ón Noun Project

Is í cúisíocht an tástáil mharfach don eolaíocht. Agus níl cúis ar bith níos easca ná áit sa néareolaíocht. Teastaíonn freagraí uainn ar cheisteanna atá cosúil go simplí. An bhfuil iompar “Boris” ina chúis le gníomhaíocht néaróin “Alice”? Níl na freagraí le fáil, ar an gcúis shimplí go bhfuil brains casta go hiontach, tógtha ó néarón ar néarón ar néarón.

Má tá aon mhilliún néarón i cortex mótair francach, ansin cé mhéad díobh sin a theastaíonn chun a ghuairneán a dhéanamh? Ceann amháin? Deich? Céad? Míle? Iad go léir? Is é an freagra “áit éigin idir eatarthu”. Agus is críoch mór é “áit éigin idir eatarthu” a iniúchadh.

Agus an dtrasnaíonn an whisker mar gheall ar spíce amháin ó gach ceann de na néaróin sin? Nó comhaireamh na spící? Nó patrún na spící? Is é an freagra “níl a fhios againn”. Agus is críoch fiúntach í “níl a fhios againn”.

Mar sin is é atá de dhíth orainn: 1. Bealach chun go leor néaróin a chasadh air agus as, le fáil amach an bhfuil siad ina gcúis leis an iompar a bhfuil suim againn ann, agus 2. Treoir maidir le léirmhíniú a thabhairt ar a bhfuil i gceist leis an inchinn nuair a dhéanaimid néaróin a chasadh air agus as

Go hiontach tá an chéad cheann againn. Tá Arsenal uirlisí atá ag síormhéadú againn chun néaróin ar leith a chasadh air agus a mhúchadh go roghnach. Is féidir linn optogenetics a úsáid chun díriú ar chineálacha sonracha néaróin - cosúil leis na cealla pirimídeach i cortex an mhótair, nó néaróin ina bhfuil dopamine sa lárchraiceann - agus iad a chasadh air (nó as) le solas daite. Is féidir linn fiú néaróin a chlibeáil a bhí gníomhach le linn iompraíochta ar leith, cosúil le cuimhneamh ar shuíomh i mbosca, agus iad siúd amháin a chuireann na géinte in iúl as a bheith á rialú ag solas. Ar an mbealach sin, is féidir leis an turgnamh an solas a úsáid chun an tsraith sin de néaróin atá gníomhach ó thaobh iompraíochta de a chasadh air, aon uair is mian leo.

Agus don dara ceann, an treoir maidir le léirmhíniú, tá tús againn. (B’fhéidir go ndéanfadh breathnadóir seachtrach eolaíochta trácht anseo gur cinnte go n-oibreodh eolaíocht réasúnach léirmhíniú na teicníochta sula n-úsáidfí í ar gach rud nach raibh nailed cheana féin. Ní eol don bhreathnadóir sin nach bhfuil ach aithne ag an néareolaíocht ar lucht aitheantais. le réasúntacht - tá an ponc sin ag imeacht thar na spéire - agus tá sé níos cosúla le mboilgeog dot.com na 90idí: tá sé lán le daoine ag déanamh an ifreann riamh a theastaíonn uathu, á dtiomáint ag sní isteach de mhéideanna airgid gáirsiúla, agus go hIfreann leis na hiarmhairtí). Bhí stró cróga ag páipéar le déanaí i Neuron ag tosú ar an gcomhrá seo, ach thit sé thar a shleachta bróg féin trí dearmad a dhéanamh go raibh an t-am ann go dtí deireadh a mhínithe, agus ansin dul isteach i dumha ag iarraidh é a phaisteáil mar iar-smaoineamh. De bharr an méid, i ndáiríre, is é an t-am gach rud.

Ach kudos d’údair an pháipéir as an gcomhrá a thosú. Táim chun an comhrá sin a dhéanamh, agus stab eile (fiáin) a ghlacadh maidir le conas turgnaimh chúise a léirmhíniú. Le ham caite isteach saor in aisce. Agus tá mé ag dul a rá leat, don inchinn, go bhfuil an méid a dhéanaimid leis osnádúrtha.

Tá turgnamh á dhéanamh agat chun cúisíocht a thástáil. Casann tú dornán néaróin i Limistéar Inchinne X ag úsáid solais, agus feiceann tú cad a dhéanann an t-ainmhí mar fhreagairt. Is é an rud ba mhaith leat a fháil amach: nuair a chasaim na néaróin sin, cén chuma atá ar an inchinn - an bhfuil cuma nádúrtha air?

Ba mhaith leat é seo a fháil amach mar, má chuireann tú ar na néaróin rud a dhéanamh nach ndéanann siad riamh le linn shaolré iomlán an ainmhí, ansin conas is féidir leat aon chonclúidí ciallmhara a dhéanamh?

Céim a haon ansin ná: cad a dhéanann na néaróin de ghnáth?

Is féidir linn é seo a fheiceáil trí smaoineamh ar a ngníomhaíocht go léir mar réigiún nádúrtha a mharcáil, áit a fhanann sé, agus réigiún mínádúrtha, áit nach féidir leis dul. Faighimid é seo i gcás dhá néarón:

Réigiún nádúrtha na gníomhaíochta neural. Is meascán féideartha de ghníomhaíocht dhá néarón gach pointe sa ghraf. Is é an réigiún scáthaithe dearg an réigiún “nádúrtha” ina bhfanann gníomhaíocht an dá néarón seo i gcónaí. Tá an chuid eile “mínádúrtha”. Is bealach amháin é an líne dhubh a d’fhéadfadh gníomhaíocht an dá néarón a thógáil sa réigiún nádúrtha le himeacht ama.

Taispeánann sé seo gníomhaíocht dhá néarón ag an am céanna: is féidir leo gníomhaíocht íseal a bheith acu, nó gníomhaíocht ard a bheith acu araon, nó aon teaglaim eatarthu. Ag gach nóiméad in am, tá na bealaí is féidir leis an dá néarón seo a bheith gníomhach ag an am céanna teoranta. Tá réigiún nádúrtha ann ina bhfanann an ghníomhaíocht sin.

D’fhéadfadh go leor cruthanna a bheith sa réigiún nádúrtha - cosúil le todóg:

Cruth difriúil don réigiún nádúrtha. Taispeánann an bealach samplach an uair seo lúb athrá: tá ardghníomhaíocht ag néarón 1 nuair a bhíonn gníomhaíocht íseal ag néarón 2, agus a mhalairt.

D’fhéadfadh go mbeadh poill sa réigiún nádúrtha:

Réigiún nádúrtha ar chruth donut. Ní thiteann gníomhaíocht an dá néaróin riamh i lár an donut, nó an taobh amuigh de.

Tá níos mó ná dhá néarón againn, ar ndóigh. Is deacair kinda a fheiceáil níos faide ná an dá thoise seo, ach tá an smaoineamh céanna i bhfeidhm: is cuma cé mhéad néarón a bhfuilimid ag coinneáil súil air, ní féidir a ngníomhaíocht chomhuaineach a bheith ach i réigiún nádúrtha.

(Tá focal ann a d’fhéadfainn go leor a úsáid anseo, ach nílim ag dul dó. Tá an focal sin iomadúil. Sean “iomadúil” bocht. Tá sé ceart go leor ansin le “feidhmiúil” chun a chumas a mhí-úsáid ag páipéar eolaíochta. níor bhain ach “ailtireacht” agus “castacht” leis i dtéarmaí a úsáidtear go doiléir chun fuaim chliste a fháil gan aon ábhar iarbhír. Níl i gceist leis ach: spás tríthoiseach níos lú laistigh de spás tríthoiseach níos mó. Eitleán i gciúb, an cineál sin rud. dinimic, is é iomadúil an dinimic an spás srianta laistigh de spás na ndinimic uile is féidir. Is iomadúil an réigiún nádúrtha).

Is féidir níos mó ná réigiún nádúrtha amháin a bheith ann. Tóg roinnt néaróin ina suí sa dorchadas, ag cur amach iad. Suíonn sé seo, a ngníomhaíocht “spontáineach”, laistigh de réigiún nádúrtha amháin. Anois flick ar an solas. Éiríonn bun de na néaróin seo níos gníomhaí, agus fanann siad níos gníomhaí. Tá réigiún nádúrtha nua ann anois ina bhfanann an ghníomhaíocht. Mar sin is féidir le “nádúrtha” a bheith sainiúil don chomhthéacs. Ach fós féin, déanann gach ceann de na réigiúin nádúrtha aonair sin réigiún mór nádúrtha amháin le chéile. Tá réigiún sainithe ann i gcónaí ina bhfanfaidh gníomhaíocht na néarón go léir go nádúrtha.

Go loighciúil is féidir linn dhá chineál éagsúla réigiún mínádúrtha a shainiú dár dornán néaróin. Is é an chéad cheann na réigiúin go hiomlán mínádúrtha nach féidir le néaróin teacht orthu riamh, mar gheall ar a dteorainneacha fisiciúla bunúsacha. Is réigiúin iad seo de ghníomhaíocht dhiúltach: ní féidir níos lú ná aschur a bheith ag néaróin riamh! Agus réigiúin ina bhfuil aschur mór: níos faide ná teorainn áirithe, ní féidir le néaróin níos mó spící a tháirgeadh.

Is é an dara ceann an réigiún osnádúrtha. Is réigiún é seo nach dtabharfaidh na néaróin cuairt air go deo le linn shaol an ainmhí. Ach inar féidir iallach a chur orthu, áfach, go sealadach, toisc nach sáraíonn sé aon cheann de rialacha na fisice nó na bitheolaíochta. Ní théann siad ann toisc go gcuireann na naisc idir na néaróin, agus neart na nasc sin, cosc ​​orthu tarlú riamh.

Tóg mar shampla lúb aiseolais diúltach simplí. Dhá néarón: spreagann an chéad cheann an ceann eile; cuireann an dara ceann cosc ​​ar an gcéad cheann. Mar sin méadóidh aon mhéadú ar ghníomhaíocht an chéad chosc ar an dara ceann freisin. I lúb den sórt sin, tá gníomhaíocht an chéad néaróin teoranta go nádúrtha leis an aiseolas coisctheach seo: tá uasteorainn gníomhaíochta ann nach féidir leis dul níos faide anonn. Ach d’fhéadfadh an chéad néarón ina aonar tine i bhfad níos gasta ná mar a dhéanann sé riamh sa lúb seo. Mar sin tá na réigiúin nádúrtha agus osnádúrtha sainmhínithe go maith anseo: an réigiún nádúrtha ina gcoinníonn an lúb aiseolais gníomhaíocht an dá néarón, agus an réigiún osnádúrtha ina bhféadfaidís dul mura mbeadh siad sa lúb pesky seo.

Mar sin ag cur na réigiún nádúrtha, osnádúrtha agus mínádúrtha le chéile, tá rud éigin mar seo againn:

Na trí réigiún féideartha de ghníomhaíocht neural: nádúrtha, mínádúrtha (dodhéanta go fisiciúil), agus osnádúrtha.

Am. Feiceann tú go bhfuil am i ngach rud thuas. Níl sa réigiún nádúrtha ach tacar gníomhaíochta comhuaineacha ár dornán néaróin. Is é an chaoi a bhfaigheann siad ó staid nádúrtha gníomhaíochta amháin go ceann eile.

Ní féidir gach bealach is féidir a bheith gníomhach go nádúrtha a bhaint amach ar bhealach ar bith eile. Ní féidir le néaróin léim timpeall go randamach sa réigiún nádúrtha - tá sé dodhéanta go fisiciúil. Tóg dornán néaróin atá gníomhach le chéile i bpatrún rialta ar-as-uaire: téann a gcomhghníomhaíocht suas agus síos go réidh, agus is é an réidh-suas-ansin-síos an tacar gluaiseachtaí nádúrtha. Mar sin, sa réigiún nádúrtha tá gluaiseachtaí nádúrtha agus gluaiseachtaí mínádúrtha ann:

Ah, am. Ní féidir le néaróin léim timpeall go randamach sa réigiún nádúrtha: caithfidh siad dul áit éigin cóngarach. Taispeánann na saigheada gorma cuid de na gluaiseachtaí ceadaithe, na gluaiseachtaí nádúrtha. Is gluaiseacht mínádúrtha í an tsaighead ghlas: ní féidir le gníomhaíocht an dá néarón seo droim ar ais faoi ghnáthchoinníollacha.

Anois ansin, céim a dó. Má tá a fhios againn anois cad a bhíonn néaróin ag déanamh de ghnáth, conas a dhéanaimid léirmhíniú ar na héifeachtaí cúiseacha a bhaineann le braon díobh a lasadh le solas?

Seo a tharlaíonn: Déanaimid an inchinn dul osnádúrtha.

I dturgnaimh optogenetics, casann muid dornán néaróin ag an am céanna, agus coinnímid orthu go minic ar feadh soicind ag an am. Nó déanaimid dornán néaróin a mhúchadh ag an am céanna, agus iad a choinneáil amach ar feadh soicind ag an am. Tá sé seo an-fhada ó réigiún nádúrtha d'aon chnapán néaróin a bhféadfaimis a ainmniú

Cuirimid dornán néaróin i bhfeidhm go hiomlán sa réigiún osnádúrtha, cibé acu trí iad a chasadh le chéile (saighead buí):

nó iad a mhúchadh le chéile (saighead buí):

Nó, inár gcás is fearr, déanaimid an riail ama a bhriseadh: fanann muid taobh istigh den réigiún nádúrtha ar bhealach éigin, ach déanaimid bogadh osnádúrtha:

Saigheada gorma: gluaiseachtaí nádúrtha - na hathruithe is féidir go fisiciúil ar ghníomhaíocht na néaróin le himeacht ama. Cruthaíonn spreagadh optogenéiteach (saighead buí) gluaiseachtaí osnádúrtha, fiú má bhíonn an t-ádh dearg orainn agus má fhaighimid air cloí taobh istigh den réigiún nádúrtha gníomhaíochta.

Mar sin tá teorainn bhunúsach againn le cúisíocht a thástáil san inchinn: bímid i gcónaí ag brú ár néaróin isteach sa réigiún osnádúrtha, agus mar sin ní féidir linn a bheith cinnte go bhfuil an rud a bhreathnaímid mar iarmhairt iompraíochta cúisitheach go nádúrtha.

(Baineann na smaointe agus na conclúidí céanna go díreach leis an teicníc is sine de mhicreastruchtúr ar ndóigh: tá instealladh srutha i dornán iomlán néaróin ag an am céanna chomh osnádúrtha).

Níl aon teicníc againn fós a choinníonn sinn laistigh de réigiún gníomhaíochta nádúrtha ar fud grúpa néaróin. Chun é seo a fháil, bheadh ​​orainn córas optogenetic a dhearadh a fhéadfaidh aithris a dhéanamh ar phatrúin lámhaigh iarbhír. Chaithfeadh sé taifeadadh níos luaithe de phatrún gníomhaíochta na néaróin sin a athsheinm, ina réigiún nádúrtha. Nó d’fhéadfadh gur dearadh aiseolais lúb dúnta a bheadh ​​ann, aschur na néaróin a ionchur mar ionchur, agus iad a spreagadh ar ais de réir teoiric éigin faoin gcaoi a bhfuil siad ceangailte leis an gcuid eile den inchinn.

Mar sin, tá optogenetics go hiomlán useless? Níl. I gcomparáid leis an méid a bhí againn roimhe seo, is míorúilt fós é. Ligeann sé tástálacha ar chúisíocht amh, tástáil a dhéanamh an bhfuil baint ag Limistéar Inchinne X le linn cuid an-sonrach de thasc nó iompar. Ligeann sé dúinn cruthúnas den scoth a fháil go nascann cineálacha sonracha néaróin i Limistéar Inchinne X le néaróin i Limistéar Inchinne Y: buaileann tú cineál amháin néaróin in X le solas, agus féach cad iad na néaróin in Y a fhreagraíonn. Agus tá sé ag éirí go tapa ar an mbealach is fearr chun na cineálacha néaróin a bhfuil tú ag taifeadadh astu in inchinn ainmhí a aithint: ní fheiceann tú na néaróin, ach má fhreagraíonn siad don solas, ansin caithfidh siad a bheith mar an gcineál néaróin a bhfuil clib orthu ag na marcóirí optogenetic.

Tá an optogenetics sin ag obair ar chor ar bith ag insint dúinn rud éigin bunúsach faoin inchinn. Is córas dinimiciúil ollmhór, an-fhrithsheasmhach, amháin é.

Feiceann tú, ní chasann do thurgnamh tipiciúil optogenéiteach a thástálann éifeachtaí ar iompar ach an solas ar thrialacha malartacha an turgnaimh (nó déanann sé randamú ar na trialacha a bhfuil sé le feiceáil orthu). Mar a chonaiceamar, tá an spreagadh optogenéiteach seo ráthaithe go spreagfaidh sé néaróin óna réigiún nádúrtha. Ach sna céadta turgnaimh tuairiscithe seo go léir, ní cosúil go mbeidh tionchar ag an spreagadh ar iompar ar an gcéad triail eile. Rud a chiallaíonn, tar éis gach sluasaid ollmhór isteach sa osnádúrtha, go bhfilleann an inchinn go tapa ar an réigiún nádúrtha. Déanann an inchinn neamhaird ar an mborradh mór sin, agus leanann sí ar aghaidh beag beann. Sean rud láidir, nach bhfuil?

Ag iarraidh níos mó? Lean muid ag The Spike

Twitter: @markdhumphries