Fantastic Boat Magic Water Moon Light Tree

编者按:本文是近期发表在PNAS上关于海马位置细胞研究的论文解读,由原文作者亲自奉上。作者以其幽默风趣又不失严谨的语言,将原本深奥的数据分析解读的简单明了又饶有乐趣。哪怕对研究本身没有任何了解,也能透过作者跳跃的思路和精彩的文笔轻松理解原文的要点。题图版权归属于原作者!原文链接:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2107337119

脑海,如果真的是一片海,寻找万千世界在海中的倒影,便是脑科学家的主要工作之一。科学家们发现了方向敏感的视觉以及运动细胞,位置敏感的GPS细胞,频率敏感的听觉细胞,脸细胞, 以后可能会有帅细胞,躺平细胞…,乐此不疲。然而它们之所以能够入科学家法眼,主要因为他们都是脑科学各种真神经元秀(大脑好声音,最强GPS,心动的神经元…)上的佼佼者,人家家的神经元。于此相对的是,是更多数的在海选过程中就被淘汰的“无能”神经元,被科学家扔进了数据垃圾桶。有什么办法?脑海和人世一样,“冷酷,无情,无理取闹”。

爆款选秀“最强GPS”中的优胜组GPS细胞:只有动物在特定环境中的特定位置中才会进入亢奋(发放电脉冲)。它们被认为是脑海中的导航系统重要组成部分,帮助动物准确导航到目标,它们的选秀导师也领了2014的炸药奖。而海选淘汰组,也就是剩下的非GPS细胞,它们…算了,平凡到很难用语言去描述它们的平凡,就像平凡的你我。

下狗在起跑线上的落后,是人世注定的悲凉,而在元宇宙的梦工厂,也许会有点不一样。在脸书改名前很多年,我们已经训练动物在虚拟现实环境中,执行空间导航觅食任务了。同事们设计了一个有真、假目的地的场景,真假两个目的地长得一模一样,甚至临近周围都一样,不同在于真目的地有肉吃,假的目的地只有空气(Figure 1)。这样的荒诞之处在于,GPS越准,导航越有可能“误导”。可能吗?想象一下上海,有两个一模一样的外滩,对岸有两个东方明珠。但一个外滩有卫生间没餐厅,另一个外滩有餐厅没卫生间。许文强尿急的时候,偏偏来到了只有餐厅没有卫生间的外滩。面对汁水饱满的小笼汤包,很尴尬。是张嘴?还是,为黄浦江贡献点后浪?

这篇论文便是于是针对这个荒诞场景的故事。论文从四个角度分析了神经元的活动(单个神经元频率编码,群体神经元频率编码,单个神经元相对脑节律的时间编码,脑节律振荡)。这里,主要谈谈其中之一:群体神经元的频率编码

前面讲了,脑海中有世界的倒影,于是借由内海的骚动,可以推测外面的精彩 (Figure 2)。这里当然数学工具就发挥作用了。对群体细胞的神经元活动建立机器学习模型,毫无波澜的,可以预测动物在宏观位置坐标系下的当前位置(Figure 3上方矩阵对角线);甚至,能准确预测动物在奖励中心坐标系下(以目的地为原点)的相对位置 (Figure 3下方矩阵对角线)。了无新意,风平浪静。

想了解手臂有什么用,砍了它,看看不能做什么。这是源于郭靖长女的粗暴思维,也一直贯穿在科学的因果推断中,药物阻断,遗传控制…科学家为了“一己私欲”,“滥用私刑”。笔者也用了这样的粗暴思维,但手法平和,我做的是“数据敲除”,对生命没有影响:在神经元的活动数据中,随机去掉一部分神经元数据,看看对位置预测的影响。毫无波澜的,去掉GPS细胞,降低了位置预测的准确度;而去掉非GPS细胞,准确度好像也降低了…(Figure 3右侧)。下狗,选秀落下的那些非GPS细胞,身上也有GPS信息。波纹微微,似乎,起风了。不过,风,还是太小了一点。这里的机器学习工具更具体点,是贝叶斯解码器,一般关注的是解码矩阵的对角线,即对当前位置的预测概率,鲜有人会去看其它地方。矩阵顶端的几行是什么?是动物在各个位置的时候,解码器预测它在目标区域的概率 (Figure 4左上)。这个概率越大,越说明“人在曹营心在汉”,而当动物的本身位置不在目标位置的时候,就是本不在目标区却误以为在目标区的“假阳性错误” (Figure 4顶)。当然,也可以理解成:不管身在何处,心有所属。就仿佛大理段公子看到到慕容复表妹的时候发痴现象,其实就是一种假阳性错误,他真正着迷的其实是神仙姐姐的石像。而在我们这里,假阳性错误,在假目标区,达到了巅峰 (Figure 4顶)。果然,场景设定的荒诞,迷惑了脑海。风起曹营,只欠火候。

“数据敲除”GPS细胞,假阳性错误居然降低,反过来即是GPS细胞增大了假阳性错误概率,精英入坑;敲除非GPS细胞,假阳性错误升高,反过来即非GPS细胞可以降低犯错概率,下狗逆袭。而两相对比,选秀不同命运的两个群体真假识别差异,在假目标区的假阳性之巅,达到最大 (Figure 4底)。在这个荒诞元宇宙情景中,选秀中的下狗,有助于识别真假。终于,曹营那边空气重度污染。

无码的下狗并非真正无码,它们平凡的才华,都藏在更加平凡的外表之下。问题来了:如果无码细胞有码,那么,非环路的路,可以是环路的冰山之下吗?在理想完全受控的简单实验室环境以及简单的认知任务中,相对独立的环路们,在复杂的情景下,会相互作用产生“化学反应”吗?

我又如何知道?我能做的,不过是找个舒服的姿势欣赏而已。脑,方寸于指尖:“日月之行,若出其中,星汉灿烂,若出其里”。