摘要：在電信技術(shù)發(fā)展的早期，工程師們發(fā)明了一種巧妙的方法，通過一根線路同時傳輸多個電話信號。

在電信技術(shù)發(fā)展的早期，工程師們發(fā)明了一種巧妙的方法，通過一根線路同時傳輸多個電話信號。這種技術(shù)被稱為時分多路復(fù)用（time-division multiplexing），也就是說，時間域被分成一些周期循環(huán)的小段，每段時間長度是固定的，每個時段傳輸一個信號，當(dāng)最后一個信號傳輸完畢，這樣的過程會再次重復(fù)，傳輸下個信號片段。時分多路復(fù)用技術(shù)可以在各個發(fā)送的消息片段之間快速切換。在一項(xiàng)最新的研究中，杜克大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，大腦中的神經(jīng)元可能會采取類似的策略來傳輸信號。

杜克團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，單個神經(jīng)元可以同時對多個刺激信息進(jìn)行編碼，這與像手機(jī)這樣的電子產(chǎn)品按頻率排序信號的方式非常相似。

“我們的問題是，對于周圍世界兩個不同的刺激，神經(jīng)元如何在同一時間保存相關(guān)的信息? 通過研究猴子大腦的單個神經(jīng)元，我們發(fā)現(xiàn)，在一些時間段，神經(jīng)元對一個刺激做出反應(yīng)，在另一些時間段，神經(jīng)元對另一個刺激做出反應(yīng)。神經(jīng)元似乎能夠在各個刺激信號之間切換。”杜克大學(xué)心理和神經(jīng)生物學(xué)教授Jennifer Groh說道。

研究結(jié)果可能解釋了大腦是如何處理來自我們周圍世界的復(fù)雜信息的，也可能為我們的知覺與認(rèn)知局限性提供洞察。該項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在7月13日的《自然通訊》上。

多數(shù)關(guān)于單個神經(jīng)元行為的研究一次只關(guān)注一個刺激——觀察研究對象在聽到一個音符，或者面對一個圖像時，單個神經(jīng)元會做何反應(yīng)。但現(xiàn)實(shí)往往不會如此簡單，我們的大腦能夠同時處理多種刺激，比如在聚會上，一邊聽著背景音樂，一邊和朋友聊天，或者從眾多昆蟲的鳴叫中分辨出蟬的聒噪。

“我們并不清楚大腦是如何從單個神經(jīng)元編碼單個信號，轉(zhuǎn)換到單個神經(jīng)元編碼多個信號的。我們試圖提供一個中間步驟，看看神經(jīng)元是如何編碼成組的信號的。”杜克大學(xué)心理與神經(jīng)科學(xué)系的科學(xué)家Valeria Caruso說道。

更復(fù)雜的是，對于單個神經(jīng)元的研究表明，許多感覺神經(jīng)元能夠?qū)σ粋€寬廣頻率范圍內(nèi)不同的聲音做出反應(yīng)。例如，你朋友的聲音觸發(fā)的神經(jīng)元，也可能被你喜歡的曲調(diào)的音符觸發(fā)。

“如果我是一個神經(jīng)元，我能同時對沙發(fā)和沙發(fā)上枕頭的圖像做出反應(yīng)，那么大腦是如何推斷沙發(fā)和枕頭都存在的呢?”Groh說道。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓猴子們坐在黑暗的房間里，播放一種或兩種聲音，每種聲音的頻率不同，且來自不同的位置，以此來訓(xùn)練猴子，讓它們朝聽到聲音的方向看。

當(dāng)研究人員一起演奏兩種聲音時，猴子先朝一種聲音的方向看，然后朝另一種聲音的方向看，這表明猴子能夠識別出存在兩種不同的聲音。

為了發(fā)現(xiàn)猴子的大腦是如何同時編碼這兩種聲音的，研究小組在猴子的下丘（inferior colliculus，下丘位于中腦左右兩側(cè)，是聽覺通路的重要組成部分）放置電極，以測量神經(jīng)元放電（神經(jīng)元從靜息電位轉(zhuǎn)換為動作電位的過程）導(dǎo)致的局域電場中的小尖峰。

○圖中黃色箭頭指出的部位是下丘（inferior colliculus），位于中腦下部背側(cè)，是聽覺通路的重要組成部分。位于中腦上部背側(cè)的上丘（superior colliculus）是視覺通路的重要組成部分。

研究人員考察了單個神經(jīng)元對每種單獨(dú)的聲音的反應(yīng)，以及對兩種聲音的組合的反應(yīng)。Groh介紹說，該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)做法是，統(tǒng)計在一段時間內(nèi)出現(xiàn)了多少次尖峰，并計算多次試驗(yàn)的平均值。但這種方法掩蓋了任何可能表明神經(jīng)元在不同刺激之間來回切換的活動波動。

該團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的統(tǒng)計方法，包括一種由Tokdar及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的被稱為動態(tài)混合點(diǎn)過程模型（Dynamic Admixture Point Process model）的新方法，以確保從數(shù)據(jù)中提取出更詳細(xì)的模式。

他們發(fā)現(xiàn)，一個神經(jīng)元會以一種放電頻率對一個聲音做出反應(yīng)，以另一種不同的放電頻率對第二個聲音做出反應(yīng)。當(dāng)同時播放兩種聲音時，神經(jīng)元在兩種放電頻率之間切換。有時，波動速度足夠快，神經(jīng)元在聲音出現(xiàn)的半秒內(nèi)就會切換，而在另一些情況下，轉(zhuǎn)換的速度會慢一些。

○神經(jīng)元編碼多個信號的策略可能類似于電話信號傳輸：單個神經(jīng)元在不同信號之間快速切換，同時保留這些不同的信號（A-B-A-B），而非單獨(dú)傳輸較強(qiáng)的信號（比如單獨(dú)的B），或者傳輸不同信號的疊加（A+B），又或者不同信號的平均((A+B)/2)。| 圖片來源：DOI: 10.1038/s41467-018-05121-8

該研究小組對洛克菲勒大學(xué)神經(jīng)科學(xué)與行為學(xué)教授Winrich Freiwald的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行了統(tǒng)計分析。在這些實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)reiwald研究了大腦皮層視覺區(qū)域的單個神經(jīng)元對包含一張或兩張臉的圖片的反應(yīng)，分析結(jié)果表明，對于兩張臉的圖片，存在相同的切換模式。

這些發(fā)現(xiàn)為其他情況提供了線索，在這些情況下，大腦需要利用一組有限的神經(jīng)元同時做不止一件事。例如，我們的工作記憶（我們的大腦一次能記住的東西的數(shù)量）被限制在4或5個左右。(關(guān)于人腦工作記憶限制的更詳細(xì)介紹，參看《神奇的數(shù)字：4 或 5》）雖然這些實(shí)驗(yàn)沒有直接測試工作記憶，研究者認(rèn)為，進(jìn)一步的研究可能有助于解釋這種記憶力的限制。

Groh說，“我們的工作記憶系統(tǒng)其實(shí)非常有限，然而沒有人真正知道為什么。也許這個極限來自于某種循環(huán)行為，其中神經(jīng)元每一次只編碼一個信號。那么，在一段時間內(nèi)可以表示的信號的數(shù)量，取決于表示每個信號需要的時間以及信號間轉(zhuǎn)換的速度。”