Добавить новость
smi24.net
News in English
Май
2022

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 228: кодирование последовательности в рабочей памяти

Китайские ученые исследовали, как происходит на нейрональном уровне кодирование и запоминание последовательно упорядоченной информации в рабочей памяти. Для этого они следили за активностью нейронов у макак с помощью двухфотонной кальциевой визуализации, что позволило им записать активность тысяч нейронов префронтальной коры. В результате выяснилось, что последовательности кодируются как сочетание/сумма активности двух групп нейронов, одна из которых кодирует пространственную информацию, а другая – ее порядок. Подробности опубликованы в журнале Science.

Credit: public domain


Часть 1 – тестирование

Исследователи из Китая с участием коллег из Франции и США провели эксперимент с двумя макаками, которые должны были выполнять тест на отложенное воспроизведение. Обезьянам на экране показывали точки в шести разных частях экрана (расположенных по углам шестиугольника). Обезьяне предлагалось запомнить, где и в каком порядке появлялись стимулы. 

После небольшой паузы обезьяна смотрела (и задерживала на некоторое время взгляд) в ту часть экрана, где появлялся первый стимул, затем второй и так далее. Чтобы научить двух обезьян правильно выполнять эту задачу, ученые потратили семь месяцев кропотливой работы, поощряя макак за правильные попытки.  

Схема эксперимента. Credit: Xie et al., / Science, 2022


В такой задаче необходимо запомнить сразу две характеристики информации: пространственную локализацию и порядок предъявления. То есть мы можем предположить, что в мозге обезьяны появлялась таблица вида: 

Порядок  1 2 3
Локализация 1 5 4

В эксперименте присутствовали задачи, где использовалось два ранга (два порядка) или три ранга. Во время выполнения теста ученые следили за направлением взгляда обезьян с помощью ай-трекера (что позволяло определить правильность ответов) и записывали активность нейронов префронтальной коры с помощью конфокального микроскопа

Этот метод нейровизуализации инвазивен и требует создания маленького «окна» в мозге, через которое микроскоп в режиме реального времени отслеживает изменения в активности нейронов по использованию кальция. Для того, чтобы кальций дал о себе знать, ученые предварительно ввели вирус с геном флюоресцентного белка в мозг обезьян, который способен «вспыхивать» каждый раз, когда появляется свободный кальций (что происходит при нейронном импульсе). Таким образом они способны понять, какие именно клетки активны в данный момент времени.

Нейровизуализация. Credit: Xie et al., / Science, 2022


Как и в эксперименте с путешествующими волнами, о котором мы писали ранее, ученые следили за активностью все той же зоны мозга – префронтальной коры, которая считается одной из основных для рабочей памяти. 

Часть 2 – поведение и «предпочтения» нейронов

Анализ проведенного тестирования показал, что обезьяны в целом успешно справлялись с тестом. Они не угадывали, а именно вспоминали. Если они и делали ошибки, то, как правило, путали рядом находящиеся локализации стимула, либо путали порядок предъявления с соседним. Это отлично иллюстрирует график ниже, на котором также видно, что с увеличением ранга (порядка) память ухудшается. 

Поведенческие результаты. Credit: Xie et al., / Science, 2022


На следующем этапе анализа ученые перевели данные нейровизуализации на уровень математических векторов и геометрических фигур. 


Информация для специалистов. 

Объяснить это можно так: ученые путем множественных сравнений математических данных обнаружили нейроны, которые реагировали на определенную комбинацию “локация — порядок”, таким образом получив 12-18 групп нейронов (6 локаций и 2 или 3 ранга). Такое векторное пространство изображено на рисунке ниже слева, а справа показывается кальциевая активность определенной группы нейронов. Этой группе явно нравится, когда стимул на четвертой локации предъявляется первым, но не вторым. 

Избирательная кальциевая активность одной группы нейронов. Credit: Xie et al., / Science, 2022


Затем полученное векторное пространство ученые разделили на 3 подгруппы (для каждого ранга) и в них провели анализ методом главных компонент. Очень упростив, можно сказать, что с помощью этого метода ученые нашли правильные координатные оси для активности, которая наблюдалась в векторном пространстве. 

Путем проецирования на две главные компоненты, ученые получили репрезентацию мозговой активности в векторном пространстве. 

Активность группы нейронов в найденных векторных пространствах
при правильных ответах. (A — первая обезьяна, В — вторая, С — изменение геометрии с увеличением ранга) Credit: Xie et al., / Science, 2022


Если всмотреться в полученные геометрические формы, мы увидим отражение самого теста, который решали обезьянки. Может, это и не совсем шестиугольники, но они очень похожи на изначальные, реальные предъявления стимулов на экране компьютеров. Любопытно то, что при увеличении ранга (то есть с ослаблением следов памяти), размер таких геометрий уменьшался (рисунок С). Еще более интересный момент: полученные геометрии были актуальны только для правильных ответов. Анализируя таким же образом мозговую активность при некорректных ответах, ученые получали что-то весьма необъяснимое.

Активность группы нейронов в найденных векторных пространствах 
при неправильных ответах. Credit: Xie et al., / Science, 2022


Совокупная ответственность нейронов

Наконец, следующим пунктом ученые задумались, что из себя представляет такая «группа нейронов». Это одна клетка? Несколько клеток? Огромная популяция? Для ответа на этот вопрос они отобразили активность каждого нейрона в изучаемой области на полученном векторном пространстве и определили предпочтения нейрона: записывает ли он конкретный порядок предъявления, конкретную локализацию или обе характеристики сразу. 

Количество нейронов, кодирующих конкретный ранг. Credit: Xie et al., / Science, 2022


На графиках вы можете увидеть такую метрику, как PR — participation ratio. Простыми словами, эта метрика показывает, насколько малое количество нейронов отвечает за конкретный ранг. Если бы значение PR было бы близко к 0, можно было бы говорить, что нужно лишь несколько нейронов, чтобы кодировать порядок предъявления. Так как это значение достаточно велико, можно сделать вывод, что в кодировании участвует не один нейрон, а целая популяция. 

После проецирования ученые выяснили, что активность одних нейронов наиболее выражена для первого ранга, других – для второго и третьего. Но есть и группы нейронов, активность которых одинакова для рангов. У таких нейронов нет специализации по порядку предъявления. Среди этих нейронов ученые проверили, быть может у них есть предпочтения по локализации стимулов? Выяснилось, что такие предпочтения действительно есть. То есть нейроны кодируют либо порядок, либо локализацию. 

Причем, кодирующие популяции нейронов не находятся друг рядом с другом, они рассредоточены по исследуемой области – префронтальной коре. В то же время эти рассредоточенные, кодирующие популяции нейронов остаются постоянными во времени: ученые наблюдали их как в день проведения теста, так и несколько дней спустя. 

Разбросанность нейрональной активности по исследуемой зоне
Credit: Xie et al., / Science, 2022


Интерпретация

Таким образом, ученые смогли выяснить, что для кодирования пространственной и порядковой информации нейроны разделяются на несколько групп (в данном случае на две). Одна группа кодирует пространственные характеристики стимула, а другая – временные. Так, стимул, который предъявляется в левом верхнем углу, кодируется нейронами группы X, а в правом верхнем – нейронами группы Y. Если он предъявляется первым, мы будем наблюдать активность в группе A, а если вторым – то в группе B. Мозг суммирует эту активность, что позволяет кодировать как сам стимул, так и его последовательность: то есть мы будем получать комбинации активностей типа X + A, X + B, Y + A, Y + B. 

При этом под группой нейронов подразумеваются большие, разбросанные по коре популяции. Совместная работа популяций нейронов позволяет кодировать информацию о последовательности в рабочей памяти. Именно популяции, а не единичных нейронов. 

По мнению авторов, такое кодирование информации имеет свои преимущества. Если мозг кодирует отдельно каждую характеристику стимула, это позволяет сохранять целостную репрезентацию стимула в голове в том случае, если какая-то одна характеристика изменяется. Например, если красный треугольник в левом верхнем углу экрана был предъявлен не первым, а третьим. Таким образом, изменения во внешнем мире минимально влияют на кодированный объект внутри мозга, в нашей рабочей памяти. 

Текст: Никита Отставнов

Geometry of sequence working memory in macaque prefrontal cortex by Yang Xie, et al. in SCIENCE. Published February 2022. https://doi.org/10.1126/science.abm0204

https://doi.org/10.1126/science.abm0204

Adblock test (Why?)








Мичков внесен в Книгу знаменитых людей Кунгура, сообщил директор кунгурского музея: «Никаких его трофеев в музее пока нет, к сожалению»

Оркестр полиции Республики Сербской впервые выступит на фестивале «Спасская башня» в Москве

Ваше душевное благополучие важно: когда и как лечение в стационаре становится шагом к себе

Модель Анастасия Решетова перенесла вирус с осложнениями


La UFC anuncia un mes de octubre mayúsculo

Stanford dropout Sam Altman says college is ‘not working great’ for most people—and predicts major change in the next 18 years

Brit Who Fought Usyk Calls For Daniel Dubois To ‘Leave The Sport’ After Staying Down In Rematch

Madeline Brewer Marries Jack Thompson-Roylance in England!


В лобовом столкновении кроссовера и грузовика погибли два человека

HRlink упростил контроль за сроками подписания кадровых документов

«Деловые Линии» сократили сроки авиаперевозок по более чем 4400 направлений по России

В депо «Чита» будет установлен первый цифровой весоизмерительный комплекс системы подачи песка под колесные пары локомотива


Brütal Legend is free in honor of Ozzy Osbourne, but only for 666 minutes

Первый трейлер Battlefield 6

Краткая биографическая справка о центральных персонажах Mafia: The Old Country

Microsoft warns of 'active attacks' on its government and business server tech, with one cybersecurity expert claiming that they should 'assume that you have been compromised'



Технологии будущего: MGIMO Ventures объявляет старт четвертого сезона акселерационной программы

В Санкт-Петербурге обсудили внедрение ИИ в разработку и оптимальные корпоративные архитектуры

Utrace запускает услугу по валидации IT-систем для фармацевтического рынка

«Деловые Линии» сократили сроки авиаперевозок по более чем 4400 направлений по России


МИД РФ заявил о готовности подписать документ о безъядерной зоне в Юго-Восточной Азии

«Деловые Линии» сократили сроки авиаперевозок по более чем 4400 направлений по России

Оркестр полиции Республики Сербской впервые выступит на фестивале «Спасская башня» в Москве

Благодаря новому промышленному объекту в САО возможность трудоустройства получат более тысячи квалифицированных специалистов


Эксгумация Беринга: что нашли ученые в его могиле спустя 250 лет

Врач Соловьева: прокрастинация может быть симптомом депрессии

Месяц в открытом море: студенты ДВФУ отправятся в экспедицию на Камчатку

Вертолет Robinson, рухнувший в Телецкое озеро, совершал свой первый полет


Россиянин Сидоренко выиграл золото Универсиады в настольном теннисе

Фриц пробился в четвертьфинал турнира в Вашингтоне.

Мальцев и Платонова взяли серебро ЧМ, Бублик вышел в полуфинал Кицбюэля. Главное к утру

Алекс де Минор вышел в 1/8 финала турнира ATP-500 в Вашингтоне


Тихий и опасный. Новые виды коронавируса пошли в наступление и лишают голоса

Вертолет Robinson, рухнувший в Телецкое озеро, совершал свой первый полет

Эксгумация Беринга: что нашли ученые в его могиле спустя 250 лет

Месяц в открытом море: студенты ДВФУ отправятся в экспедицию на Камчатку


Музыкальные новости

Концерт «Шуман. Шуберт. Шопен» покажут на портале мэра Москвы вечером 23 июля

Даже Пугачева оценила: Олег Меньшиков показал, как отдыхает в Италии

Рискнул на 100 тысяч рублей: инженер из Смоленска купил более 1,7 тысячи лотерейных билетов и выиграл автомобиль от «Национальной Лотереи» и РОЛЬФ на VK Fest

Депутат ЗСК Виктор Тепляков провёл совещание по вопросам содержания АЗС в Сочи


В Санкт-Петербурге обсудили внедрение ИИ в разработку и оптимальные корпоративные архитектуры

Технологии будущего: MGIMO Ventures объявляет старт четвертого сезона акселерационной программы

«Деловые Линии» сократили сроки авиаперевозок по более чем 4400 направлений по России

Росгвардия и МЧС провели совместные учения в Москве


В Санкт-Петербурге обсудили внедрение ИИ в разработку и оптимальные корпоративные архитектуры

Рекордный массовый женский нетворкинг: событие от «Мир Бизнес Мам»

Первая победа «Динамо» в сезоне? «Динамо» — «Ростов»: прогноз и ставка

Fix Price подготовил всё необходимое к 1 сентября


В столичном главке Росгвардии проведён смотр спецтехники

В Москве росгвардейцы оказали помощь пострадавшей в ДТП мотоциклистке (видео)

Поезда не будут ходить на участке Сокольнической линии метро с 26 по 28 июля

На МКАД в Москве произошло массовое ДТП, движение затруднено


"Ультиматум Трампа: потенциальные последствия для Путина"

У Путина есть роскошный подарок для Китая: США схватились за голову, узнав о нем

Соболезнования в связи с авиакатастрофой в Амурской области выразили зарубежные лидеры

В сентябре Путину будет представлена обновленная программа строительства кораблей для ВМФ.


Депздрав: новый штамм коронавируса «стратус» фиксируют в Москве с мая

Депздрав Москвы оценил ситуацию с распространением нового штамма коронавируса

Депздрав Москвы: новый штамм коронавируса "стратус" фиксируют в Москве с мая

Новый штамм коронавируса "стратус" фиксируют в Москве с мая



Путин дал указание рассмотреть проблемы онкологии в Архангельской области.

Пластический хирург Софья Абдулаева: подтяжка груди нитями - эффективно ли это

Utrace запускает услугу по валидации IT-систем для фармацевтического рынка

Фитнес-марафоны на паузе: суд продлил домашний арест блогеру Лерчек



"Монсон о спортсменах, которые меняют гражданство в сложный период для России"

Игровые терминалы в ТЦ: союз ради будущего

Две трети россиян считают, что спортсмены зарабатывают слишком много

Пять земельных участков для размещения НКО доступны на городских торгах


Лукашенко заявил, что в Белоруссии «на всякий случай» готовятся к войне

Лукашенко с иронией отнесся к санкциям, запрещающим ему въезд в Эстонию

Лукашенко поделился мнением о самой идеальной профессии.

Лукашенко посоветовал не злить его и не допускать падежа в животноводстве


Сергей Собянин осмотрел Дом-музей Федора Конюхова

Сергей Собянин. Главное за день

Сергей Собянин поздравил москвича — победителя международной олимпиады по физике

Собянин: Около 10 тыс. москвичей начали переселение по реновации этим летом


Москвичи теперь должны платить за зарядку своих электромобилей

Исследование выявило снижение инвестиций в экологически чистую энергетику США.

В центре внимания: CorpSoft24 вошел в рейтинг крупнейших ИТ-компаний России

видео пожаров на Кипре стало доступно общественности


Сергей Карякин: **23 июля открыл свой Шахматный клуб на базе московского Единого центра поддержки участников специальной военной операции и членов их семей!

Месяц в открытом море: студенты ДВФУ отправятся в экспедицию на Камчатку

Вертолет Robinson, рухнувший в Телецкое озеро, совершал свой первый полет

Ветеринары напомнили жителям Подмосковья о необходимости вакцинации питомцев


Путин дал указание рассмотреть проблемы онкологии в Архангельской области.

В Архангельске началось обучение бойцов СВО, сообщил Цыбульский.

70 участников СВО в Архангельске показали мотивацию выше госслужащих — Цыбульский

Настольный термотрансферный принтер штрих-кодов iDPRT iE4P


В Симферополе на базе «Клинического госпиталя для ветеранов войн» функционирует гериатрический центр для пожилых людей с возрастными нарушениями

В центре Балаклавы изменят дорожное движение – причины и сроки

Прогноз погоды в Крыму на 25 июля

Россияне выбирают Крым для отдыха с детьми – названы города-лидеры


Жители Хакасии подали 80 заявок на Слёт Всемирного фестиваля молодёжи

В Краснодарском крае останавливаются 12 поездов.

Жизнь в стиле хлебо-rock. Музыкант с необычными пристрастиями дает алтайскому селу лепешек и зрелищ

Месяц в открытом море: студенты ДВФУ отправятся в экспедицию на Камчатку














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *