神经科学家发现，小型、精确连接的神经元网络可以创建精确的内部指南针，挑战了有关大脑计算需求的先前假设。这一新理论扩展了对小型网络如何执行复杂任务的理解。

研究人员发现，果蝇的小脑网络可以产生精确的内部指南针，这表明用比以前认为的更少的神经元就可以完成复杂的计算。

神经科学家遇到了一个问题。

多年来，研究人员一直提出一种理论，解释动物的大脑如何在不依赖外界线索的情况下追踪其相对于环境的位置——类似于我们即使闭上眼睛也能感知自己的位置。

根据基于啮齿类动物大脑记录的理论，称为环状吸引子网络的神经元网络维持着一个内部指南针，可以追踪你在世界上的位置。一个准确的内部指南针被认为需要一个拥有许多神经元的大型网络，而一个只有少数神经元的小型网络会导致指南针的指针漂移，从而产生误差。

随后，研究人员在小果蝇体内发现了一个内部指南针。

Janelia 研究小组负责人 Ann Hermundstad 表示：“苍蝇的大脑指南针非常精确，但它是由一个非常小的网络构建的，这与之前的理论假设相反。因此，我们对大脑指南针的理解显然存在差距。”

现在，由霍华德休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区赫蒙斯塔德实验室的博士后马塞拉·诺曼领导的研究解释了这一难题。新理论表明，如何用一个非常小的网络创造出一个完全准确的内部指南针，就像果蝇一样。

这项研究改变了神经科学家对大脑如何执行多项任务（从工作记忆到导航到决策）的看法。

“这确实拓展了我们对小型网络功能的认识，”Noorman 说道：“它们实际上可以进行比之前所知的更复杂的计算。”

当Noorman 于 2019 年抵达Janelia 研究所时，她面临着赫蒙德斯塔德和其他人一直困惑的问题：果蝇的小脑袋如何产生精确的内部指南针？

Noorman 首先试图证明，用小型神经元网络无法生成环形吸引子，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——才能使其发挥作用。为了做到这一点，她从现有模型中剥离了所有“额外的东西”，看看能否用剩下的东西生成环形吸引子。她认为这是不可能的。

但Noorman很难证明她的假设。正是那时，她决定采用不同的方法。

“我必须转变思维，思考，也许是因为你可以用一个小的网络生成一个环吸引子，”Noorman 说：“然后弄清楚网络必须满足哪些具体条件才能实现这一点。”

通过改变假设，Noorman 发现，事实上，只要仔细调整神经元之间的连接，就有可能产生一个环形吸引子，而且只需四个神经元。诺曼与 Janelia 的其他研究人员合作，在实验室中测试了这一新理论，找到了苍蝇大脑可以产生环形吸引子的生理证据。

“较小的网络和较小的大脑可以执行比我们之前想象的更复杂的计算，”Noorman 说：“但要做到这一点，神经元的连接必须比较大的大脑更精确，因为在较大的大脑中，你可以使用大量神经元来执行相同的计算。”

“因此，在进行计算时使用的神经元数量与连接它们的谨慎程度之间存在权衡。”Noorman 指出。

接下来，研究人员计划探索“额外的东西”是否能为环形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。额外的实验还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，以及感官线索如何影响网络对头部方向的表示。

对于从数学家转型为神经科学家的诺曼来说，弄清楚如何将生物学转化为可以解决的数学问题是一项挑战，但很有趣。

Noorman 强调：“苍蝇的头部方向系统是我见过的第一个神经活动的例子，因此弄清楚并理解它的工作原理很有趣。”

参考文献：Marcella Noorman、Brad K. Hulse、Vivek Jayaraman、Sandro Romani 和 Ann M. Hermundstad 撰写的“使用少量神经元维护和更新连续变量的准确内部表示”，2024 年 10 月 3 日，《自然神经科学》。DOI：10.1038/s41593-024-01766-5

来源：霍华德休斯医学研究所

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