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如何排除常见气味,专注于重要气味

如何排除常见气味,专注于重要气味

CSHL的定量生物学家已经弄明白,苍蝇的大脑是如何学会忽略普遍存在的普通气味,而专注于更重要的气味的。这是理解我们的感官如何工作以及计算机感知如何更好工作的重要一步。

“想象一只狗在花园里玩耍,闻到各种各样的花香,然后在远处某个地方出现了掠食者,就像狐狸一样。CSHL副教授Saket Navlakha解释说:“进入狗狗鼻子的原始输入是一种气味,其中90%是花,只有5%或10%是这种食肉动物的气味。”

“我们想要研究的问题是,‘这只狗是如何抑制这些花朵发出的无用信号的……然后放大重要的部分,也就是捕食者,让它做出适当的反应?’”

狗有复杂的大脑,所以冷泉港实验室(CSHL)的研究人员让果蝇来解决这个问题。简单的苍蝇大脑是如何学会忽略普遍的气味,而专注于更新但更罕见的气味的呢?这些发现可能适用于狗或人类,也可能用于训练人工智能机器。

在5月11日出版的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,博士后研究员杨申(Yang Shen)和纳夫拉卡(Navlakha)概述了这个被称为气味适应的复杂神经任务是如何在果蝇大脑中发生的,并可以被翻译成计算机代码。

据沈说,果蝇经常处于这样一种情况:它们的小大脑需要区分许多“普通”气味和一些可能更重要的气味。

Navlakha补充说,一只果蝇“大脑中大约有10万个神经元,其中许多神经元的连接已经被绘制出来”。

他说:“这让我们能够从算法的角度理解大脑是如何解决这个习惯问题的。”“所以这就成了这个项目的出发点。”

研究人员发现,气味习惯是由一个重要的信号过滤过程驱动的。当苍蝇探测到一种气味时,一些特定的神经元(称为肯扬细胞)会对其做出反应。这些响应神经元的放电模式构成了气味的“标签”。如果一种气味持续存在,但没有向果蝇传达紧急信息,那么构成气味标签的神经元就会随着时间的推移开始减少它们的活动。这是大脑对背景气味的习惯。一个带有较少活跃神经元的气味标签比带有大量神经元活动的气味更不容易引起有机体的反应。因此,我们可以忽略一直存在的气味,而选择一种微弱但重要的新气味。

苍蝇的大脑抑制对重复气味的反应,但如果气味变得更稀有或对苍蝇更重要,这个过程也可以逆转。

“通过构建计算框架,我们可以更好地理解信号在大脑中是如何被处理的整个过程,”沈说。

Navlakha的任务是弥合计算研究和神经科学之间的鸿沟。

他说:“整个研究方向的目标之一就是试图将大脑理解为一种算法库,这种算法库是为了解决基本的信息处理问题而进化出来的。”“这种气味适应过程还没有被广泛使用,例如,在机器人应用中,你有大量的流动数据,你想过滤不必要的数据。”

他补充说:“我们的目标并不是说,神经科学的这种算法比任何人开发的任何算法都好,但它为我们提供了一个机会,让我们理解生物学如何解决这个问题,以及习惯如何影响我们感知和辨别气味的能力。”

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