计算模型揭示了大脑如何管理短期记忆

简介：一种新的计算算法显示了大脑如何在短期内使用特定类型的神经元维持信息。

如果您仅在几秒钟之内就忘记了某件事，例如您打算在餐厅点菜的菜名，那么您就会知道工作记忆的重要性。这种短期召回方式是人们如何在几秒钟或几分钟内保留信息以解决问题或执行任务，就像一系列说明中的下一步一样。但是，尽管这对我们的日常生活至关重要，但大脑如何管理工作记忆却一直是个谜。

现在，Salk科学家开发了一种新的计算模型，该模型显示了大脑如何使用特定类型的神经元在短期内维持信息。他们的发现发表于2020年12月7日的《自然神经科学》（Nature Neuroscience），可能有助于阐明为何在包括精神分裂症在内的多种神经精神疾病以及正常衰老中工作记忆受损的原因。

Salk计算神经生物学实验室负责人兼高级作者Terrence Sejnowski说：“大多数工作记忆研究都集中在皮层中的兴奋性神经元，这些兴奋性神经元数量众多且广泛连接，而不是局部性连接且分布更广泛的抑制性神经元。”新作品。 “但是，我们教过的执行执行工作性记忆任务的递归神经网络模型，通过在延迟后使用抑制性神经元做出正确的决定，使我们感到惊讶。”

在新论文中，Salk和加州大学圣地亚哥分校的医学博士Sejnowski和Robert Kim开发了前额叶皮层的计算机模型，前额叶皮层是已知的管理工作记忆的区域。研究人员使用学习算法教他们的模型进行通常用于评估灵长类动物工作记忆的测试-动物必须确定屏幕上彩色正方形的图案是否与几秒钟前看到的图案匹配。

Sejnowski和Kim分析了他们的模型如何能够高精度地执行此任务，然后将其与猴子执行任务时看到的大脑活动模式的现有数据进行了比较。在这两个测试中，参与工作记忆的真实和模拟神经元的运行时间均比其他神经元慢。

Kim和Sejnowski发现，良好的工作记忆既需要长期使用的神经元，又需要抑制大脑活动的抑制性神经元之间的联系牢固。当他们改变模型中这些抑制性神经元之间的连接强度时，研究人员可以改变模型在工作记忆测试中的表现以及相关神经元的时间尺度。

研究人员说，新发现指出抑制性神经元的重要性，并可能激发有关这些细胞在工作记忆中作用的未来研究。他们还可以为一些精神分裂症和自闭症等神经精神疾病患者在工作记忆上挣扎的研究提供信息。

“工作记忆障碍在神经精神疾病中很常见，包括精神分裂症和自闭症谱系障碍，” Kim说。 “如果我们能够阐明工作记忆的机制，那就是朝着了解这些疾病如何导致工作记忆不足的方向迈出了一步。”

资金：这项工作得到了美国国家精神卫生研究所的资助。

来源：Salk研究所联系人：新闻办公室– Salk研究所图片：该图片属于公共领域

原始研究：封闭访问。罗伯特·金（Robert Kim）和安培（Andrew）撰写的“强烈的抑制性信号基础是突加神经网络中稳定的时间动态和工作记忆的基础”。泰伦斯·塞诺夫斯基（Terrence J.自然神经科学

皮质神经元在多个时间尺度上处理信息，并且对于工作记忆（WM）重要的区域包含能够长时间整合信息的神经元。但是，尚不清楚足以稳定支持WM的神经元时间尺度出现的潜在机制。通过分析在WM任务和灵长类前额叶皮层中单个神经元的活动上训练的尖峰递归神经网络模型，我们表明模型的时间特性和神经数据非常相似。剖析我们的递归神经网络模型后发现，抑制性抑制电路与抑制性微电路之间的牢固联系是长期神经元时间尺度和WM维持的关键组成部分。我们还发现，增强抑制性到抑制性的连接会导致更稳定的时间动态并改善任务性能。最后，我们证明了具有这种微电路的网络可以执行其他任务，而不会破坏其现有的时标架构，这表明强大的抑制信号是灵活的WM网络的基础。