当我们聚焦视线时大脑如何减慢

在信息的缓慢和快速整合之间切换，大脑可以灵活地调节其运作的时间尺度。这是一个国际研究小组的一项新研究的结果，该研究现已发表在《自然通讯》杂志上。他们对来自视觉皮层的实验数据的分析和他们的计算机模拟也解释了不同的时间尺度如何出现以及它们如何变化：神经网络的结构决定了信息的整合速度或速度。

大脑中的不同过程发生在不同的时间尺度上：虽然感官输入可以在几十毫秒内处理，但决策或其他复杂的认知过程可能需要在几分钟内整合信息。相应地，大脑中的某些区域比其他区域节奏更快。

这些内在的时间尺度不是刚性和不变的。然而，到目前为止，人们对它们如何适应不同的情况和任务知之甚少。来自蒂宾根，普林斯顿，斯坦福，纽卡斯尔和华盛顿的一组研究人员现在已经研究了大脑区域的时间尺度在任务执行过程中如何变化。具体来说，他们问：当受试者将他们的视觉注意力集中到或将其重定向到空间中的特定点时，这如何改变相应大脑区域中神经活动的时间尺度?为了回答这个问题，研究人员分析了先前发表的数据，这些数据记录在两种不同的视觉注意力任务中，猕猴的视觉皮层V4 - 涉及视觉注意力的大脑区域。

对于这两项任务，研究小组观察到神经活动不是在一个单一的时间尺度上展开，而是在至少两个不同的时间尺度上展开：慢速和快速时间尺度。值得注意的是，在任务执行过程中，慢节奏的时间尺度也发生了变化：每当注意力被引导到视野中的某个区域时，相应神经群体中的缓慢活动就会变得更慢。此外，他们观察到活性越慢，反应时间越短。

“这似乎违反直觉，但实际上是相当合理的，”蒂宾根大学和马克斯普朗克生物控制论研究所研究员Roxana Zeraati评论道。“缓慢的时间尺度意味着大脑的当前状态与其刚才的状态之间存在更强的相关性。当神经元关注某事时，它们会更好地记住自己过去的活动，这意味着时间尺度较慢。

丰富的网络结构可实现灵活的行为

研究人员想知道神经元网络如何创建这些不同的时间尺度。“我们用计算机模拟测试了三种不同的假设，”图宾根助理教授、Zeraati博士导师Anna Levina说。“我们是否仅仅因为一些神经元运行得更快而另一些神经元运行得更慢而看到不同的时间尺度?或者，作为第二种选择，它们不同的生物物理特性是否负责?只有我们的第三个猜想被证明是正确的：答案不在于单个神经元的特性，而在于网络的结构。

根据神经元相互连接的方式，会出现不同的时间尺度：例如，所谓的集群网络会产生缓慢的时间尺度。“你可以将集群网络与欧洲道路系统进行比较，”Levina解释说，她与来自普林斯顿的同事Tatiana Engel一起领导了该项目。“巴黎的任何两个地方都非常紧密地联系在一起，但从勃艮第的一个村庄到葡萄牙的海滩要困难得多。与此同时，航空公司网络可能看起来几乎是随机的。到达附近的城市非常困难，但你几乎可以去任何地方，没有很多转机航班。看起来更像航空公司的网络不会像公路网络那样发展那么长的时间尺度。

该团队能够构建网络，在计算机模拟中完全复制实验数据的时间尺度。这些模型还解释了在任务期间观察到的时间尺度上的调制：神经元之间相互作用的功效略有增加，这反过来又改变了神经事件的节奏。

这些发现可能会改变我们对大脑的看法：“我们的实验观察与计算模型相结合，为研究网络结构，功能性大脑动力学和灵活行为之间的联系提供了基础，”该出版物总结道。

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