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松鼠会之【小红猪翻译小分队】第二期

原文链接:http://www.newscientist.com/channel/being-human/mg19826611.400-does-the-brain-feature-builtin-noise.html

原文全文:https://songshuhui.net/archives/1410.html

Does the brain feature built-in noise?  (Laura Spinney )

:Denovo,生物学博士,科学工作者兼文艺女青(中?)年,海外飘荡n年,专业切换n次,至今面壁茫然,幸遇科学松鼠会,写文翻译凑热闹,聊以解忧。

正文:
劳拉·斯宾尼发现,无意义的随机神经信号能够大大增强大脑的效能。 

第二次世界大战期间,进行任务航线和炸弹弹道计算的空勤人员发现,他们的设备——有大量齿轮传动装置的机械电脑——在飞行时的效能比在地面上高。工程师们意识到,这是因为飞机的震动加强了设备中粘滞组件的活动性,于是开始在设备中加入小型震动马达,以提高其准确性。这是随机扰动(dither)——也就是人工引入噪音——的最早应用之一。

住在飞机航道下面的人或者尝试过远距离收听调幅电台的人都知道,噪音通常是一种妨害。但它却可能是工程师的福音,甚至在生物中也有用处。十余年来的研究表明,加入少量噪音可以使生物体对环境的感觉变得更敏锐。比方说,小龙虾在紊流中比在静水中能更好地探测到食肉鱼鱼鳍的微小动作,而屏幕上微弱模糊的影像在加入一点噪音信号的情况下更容易为人眼所辨识。

 以上例举的噪音来自生物体之外,却暗示了一种有趣的可能性:会不会远在二战工程师应用随机扰动之前,进化就已经将它置入了大脑中?现在,一批神经科学家宣布他们发现了“特意添加噪音”的神经通路,刚好符合这种假设。如果他们是正确的,那么随机扰动可能是自然界中一个普遍的现象。 

噪音的一个应用定义是覆盖大量频率的广谱信号,例如白噪,它从低到高等量覆盖了人耳可接受的全部频段。与之相反,有意义的信号则将能量集中于波谱上一个相对狭窄的条带。 

噪音能够增强微弱信号的可识别性,这个现象称为随机共振,只适用于输出与输入不成比例的非线性系统。非线性系统一个很好的例子就是神经元,它只有在细胞膜内外电位差超过临界阈值时才会被激活。在这样的系统中,加入噪音可能将一个低于阈值的微弱输入信号提高到阈值以上。 

许多理论模型表明,随机共振可以加强神经元对信号的处理能力,也有实验证明在某些情况下引入外源噪音可以提高大脑效能。随机共振可以解释小龙虾的触觉毛细胞为何在紊流中更容易探测到远处的鱼鳍活动,也可以解释噪音信号为何能帮助人眼识别微弱影像。已经存在利用外源噪音来增强人体功能的例子,如探测微弱声音的人工耳蜗和帮助中风患者保持平衡的震动鞋垫。 

然而,人们至今尚未发现大脑产生内源噪音,利用随机共振的证据。牛津大学神经科学家杰罗·密森伯克的工作可能填补了这一空白。密森伯克认为,他发现了果蝇嗅觉系统中一个专门产生噪音来增强大脑功能的回路。他说,果蝇的嗅觉系统结构不仅在昆虫中具有代表性,也接近于包括人类的脊椎动物,因此他的发现或许对于人类大脑也有意义。

密森伯克的研究起初与噪音无关,只是试图解决一个困扰嗅觉系统研究者们多年的难题。 

果蝇嗅觉系统是一个巨大的神经回路,始于果蝇触角上大约1200个嗅觉受体神经元,每个神经元中只存在一种气味受体分子。受体分子共有大约60种,因此嗅觉受体神经元也有大约60种。 

这些对气味具有特异性的嗅觉受体神经元从触角上出发,聚集到被称为突触小球的节点,在这里它们和投射神经元细胞以神经突触相互连接。每个突触小球只接受一种嗅觉受体神经元的输入,因此很长时间以来,神经科学家认为每个投射神经元只会对一种气味产生反应。 

但是几年前,神经科学家们发现事实并非如此(《科学》杂志第303期,366页)。单个投射神经元的电信号记录表明,它们有时也会对不同的气味(即自身对应的嗅觉受体神经元类型之外的气味)产生反应。 

既然每个突触小球只接受一种嗅觉受体神经元的输入,这些投射神经元怎么会对其它气味产生反应呢?当时尚在耶鲁大学医学院的密森伯克和他的同事商昱华(音译)解决了这个难题。 

在一种变异的果蝇中,某个特定突触小球缺失与之联结的所有嗅觉受体神经元。通过寻找这个小球中的投射神经元所接收到的输入,他们发现了一个“中间神经元”网络,连接各个突触小球并传递神经信号(《细胞》杂志128601页)。只要有任何气味存在,这些“兴奋型局域神经元”似乎都会给投射神经元提供弥散的兴奋信号输入。 

这个结果解释了前面提到的难题,却引出了另一个问题:为什么要在系统中加入干扰,打破气味受体与投射神经元之间特异的对应关系?“这不符合直觉,”密森伯克说,“为什么要使本来分界清晰的输入模糊化,增加噪音?”他提出的假说认为,噪音的加入是有意义的,或许兴奋型局域神经元特意向系统中输入噪音,利用随机共振来检测微弱气味。 

微调 

鉴于感觉输入信号接下来的传递过程,他的假说不无道理。投射神经元把信号发送到被称为凯尼恩细胞(Kenyon cells)的神经元,这些神经元所在组织被称为蘑菇体,是果蝇大脑中与学习和记忆相关的部分。每个凯尼恩细胞都接受很多投射神经元的输入,但它们的兴奋阈值很高,只有在大部分输入神经元同时放电的情况下才会被激活。因为投射神经元对自身对应的一种气味反应最灵敏,每个凯尼恩细胞就只会被这一种气味激活,整个系统因此重新获得了特异性。 

密森伯克的小组还找到了一篇1983年的论文,作者是马克斯·普朗克神经生物学研究所的亚历山大·博斯特,该研究所位于德国马丁斯瑞德。这篇论文中描述了一个联结突触小球的抑制型局域神经元网络。密森伯克认为,这些抑制型局域神经元可能与他发现的兴奋型神经元起相反作用,削弱嗅觉受体神经元传来的强烈信号。 

为什么要放大微弱信号,又降低强烈信号呢?密森伯克提出,这样做是为了应付气味浓度的极端情况。“当一支玫瑰被放在你的鼻端,无论它只有微弱香气,还是正在盛放,你都需要能闻到并辨别出它是一支玫瑰。”他说,“必须要有适当的机理来消除这种气味浓度上的差别,我们认为信号处理的该中间层次正是起了这个作用。” 

密森伯克的小组尚未完全证明这个“特意添加噪音”假说,不过他们正在继续努力,希望通过调节局域神经元来改变噪音的量。密森伯克预计,调低或完全消除噪音会使得凯尼恩细胞更不容易被微弱气味激活,因此果蝇对微弱气味的行为反应会减弱,研究者可以通过它们对臭味的回避行为来检验这一点。 

但是进行这样的操作很困难,原因之一是为了达到所需效果,他们要调节大部分的局域神经元,而果蝇的大脑中到底有多少局域神经元目前还不清楚。

假设该研究成功,他们将进一步尝试证明哺乳动物大脑中也有类似情况。但同在牛津大学的托马斯·克劳伯格认为,在哺乳动物大脑中找到一个类似果蝇局域神经元的噪音发生细胞非常困难。克劳伯格致力于在大鼠海马体中寻找新型中间神经元,哺乳动物的海马体类似于昆虫的蘑菇体,是大脑中与学习和记忆相关的部位。他指出,单这一个部位就有至少21种不同的中间神经元。 

1993年的小龙虾实验进行者,圣路易斯密苏里大学(译注:原文如此,密苏里大学为啥在圣路易斯?)的生物物理学家弗兰克·莫斯认为,密森伯克的发现很惊人。他说,密森伯克可能很快就会证实他一直以来的猜想:动物利用随机共振来增加自身生殖优势。 

莫斯也参与了一篇1999年的论文(《自然》杂志402291页)工作,这篇论文首次表明,外源噪音通过随机共振产生效果。他当时的研究对象是白鲟,这种鱼用鼻内的电感受器探测捕食对象——浮游生物——发出的微弱电信号,以寻找食物。莫斯把一条白鲟放在有浮游生物的水槽中,并在其中植入两根电极,发出随机变化的电场噪音。他测量了噪音的效果,发现在某个中间强度,白鲟觅食的成功率显著提高。

中等噪音水平导致最佳表现是随机共振的特点之一:噪音太低,信号不能达到阈值,噪音太高,信号则被噪音淹没。因此,噪音-收益曲线是一个倒U型。

最近,莫斯转而注意一种叫做水蚤的微型水生甲壳动物。他相信这种动物能为内源性随机共振提供另一支持证据。 

水蚤有一种特别的觅食行为,动作依次为跳,停顿,转弯,再跳。每个转弯的角度各不相同,这些角度在肉眼看来是随机的。 

莫斯却不这样认为。他和同事拍摄了五种不同的水蚤在浅槽中觅食的过程,并测量了数百个转弯角度,作出了这些角度的频率分布图,发现转弯角度并非完全随机,某些角度出现频率较高。角度频率的总体分布可以用一个称为“噪音强度”的参数作出数学描述,这个参数表示了该分布的随机性高低,或者说噪音大小。

他们随后用不同的噪音强度作了水蚤觅食的电脑模拟,并发现对应于最佳觅食策略的噪音强度,恰好就是真实水蚤转弯角度分布所对应的强度。更低或更高的噪音强度都会降低觅食成功率,其效果符合随机共振的经典倒U型曲线(《数学生物科学》杂志207165页)。虽然还不了解水蚤获得最佳角度分布的原理,但他们认为这是随机共振的结果,并且这种随机共振一定是内源的。“它发生于水蚤体内某处,有可能是大脑,但我们还不清楚。”莫斯说。他还说,最佳噪音强度的获得肯定是自然选择的结果,因为使用最佳强度的水蚤可以找到更多食物,因此具有最强的生存能力。 

但是,生物系统利用内源噪音的理论还存在不少问题,其中一大疑问是,果蝇的局域神经元所产生的是否真正的噪音。2006年出版的《噪音》一书的作者,洛杉矶南加州大学的电子工程师巴特·科斯科说,他不相信那是真正的噪音。 

噪音有着严格的数学定义,复杂生物系统中貌似噪音的东西,通常是其它地方泄漏的信号。“他们需要证明那种‘噪音’源确实有噪音的统计标志。”科斯科说。如果它并非真正的噪音,那么从定义上说,我们得到的便不是随机共振。 

新泽西州立大学的神经科学家约基·布察奇则更进一步地指出,假如大脑中确实存在将微弱信号提升到阈值的机理,那也不太可能是噪音。“产生噪音的代价太高,”他说,“一个好的系统,例如我们心目中的大脑,不会付出这样的代价。” 

布察奇同意密森伯克的说法,哺乳动物体内可能有调节脑活动的类噪音信号。但是他认为这不需要特殊的噪音发生回路,遍布大脑的神经元自发放电就可以支持这一功能。 

神经元放电活动有两种方式,自发放电和触发放电。前者与外源刺激无关,后者则是对外源刺激的反应。自发放电可以在神经元网络中扩散,造成大约每秒40次频率的瞬时同步放电。神经科学家对自发放电很感兴趣,因为它为大脑中高级精神活动的发生提供了一种可能机理。例如有人提出,将不同的认知过程组合到一起产生感觉的方式,可能是通过所谓的伽玛波。

 布察奇说,微弱的输入信号可以叠加于这些自发放电活动的波形上,从而超过阈值。他说,因为自发放电消耗的能量很少,用这种方式来增强微弱信号有更高的性价比。

 当然,这两种方式在关键之处是相同的:都用一个信号来帮助另一个信号超过阈值。“原理是一样的。”密森伯克说。但是弄清楚细节仍然很重要,这关系到我们如何理解大脑的基本工作原理,以及将来如何利用随机共振制造感觉辅助器材,例如人工视网膜。

 我们还要过些时候才能知道,自然选择究竟是在大脑中内置了噪音发生机制,还是仅仅让大脑利用其它神经信号作为噪音。但不论怎样,看来随机扰动在果蝇的大脑中是不可或缺的,或许在我们的大脑中也一样。

 作者:劳拉·斯宾尼

 写手劳拉·斯宾尼住在伦敦和巴黎。

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11 Responses to “小红猪出品:来自内部的噪音(《新科学家》译稿)”

  1. [...] 来自人体内部的噪音(《新科学家》6月21日专题) [...]

  2. [...] 小红猪出品:来自人体内部的噪音(《新科学家》译稿) [...]

  3. 爱八卦的小毛说道:

    支持!加油!
    或许你的漂泊生活在加入一点点随机扰动(dither)之后会变得更好,比如说谈个恋爱,结个婚,生个小孩之类。
    都有了?
    那就在生一个嘛

  4. 姬十三说道:

    仔细读了遍。真有意思。这个翻译计划的作用将是长期的:)
    期待纽约客的文章放出

  5. brt说道:

    看到标题觉得似曾相识。

    好像在http://discovermagazine.com/看过,还有图片哦。

    可惜找了一下没找到原文

  6. yyzbest说道:

    总算知道麻将里面为什么有“东南西北中发白”了吧,中国人老早就会应用人工加入噪声的原理了, 哈哈

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