Мозг — это машина для обработки информации, и поэтому его можно изучать с помощью вычислительных инструментов, основанных на принципах теории информации. По этой причине вычислительные методы, основанные на теории информации или вдохновленные ею, стали краеугольным камнем практического и концептуального прогресса в нейробиологии. В этом обзоре мы рассматриваем, как концепции и вычислительные инструменты, связанные с теорией информации, стимулируют развитие принципиальных теорий обработки информации в нейронных цепях и разработку влиятельных математических методов для анализа записей нейронной популяции. Мы рассмотрим, как эти вычислительные подходы раскрывают механизмы основных функций, выполняемых нейронными цепями. Эти функции включают эффективное кодирование сенсорной информации и облегчение передачи информации в нижележащие области мозга для информирования и управления поведением. Наконец, мы обсуждаем, как можно добиться дальнейшего прогресса и понимания, в частности, путем изучения того, как конкурирующие требования нейронного кодирования и считывания могут быть оптимально согласованы для оптимизации обработки нейронной информации. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2001037023000119

Новое — это хорошо забытое старое. Еще в 60-е годы были советские статьи по "exposure to monochromatic light". Тогда это исследовалось посредством стабилографии. Статьи были замусорены бредом про павловское учение, но тем не менее. https://neurosciencenews.com/monochromatic-light-stimulation-brain-22279/

Измененная коннективность у слепых. Not particularly surprising, но полезно знать. https://neurosciencenews.com/visual-processing-blindness-22312/

Дыхание в мозгах (важная тема!): "We discovered a respiration-associated brain network mediated by neural activity based on the resting-state fMRI, electrophysiology and respirational signals measured at the same time in rats,” Zhang explained. “The respiration signal is associated with the gamma-band neural activity in the cingulate cortex, and both the gamma and respiration signals correlate with distributed neuronal networks measured by fMRI." https://www.psypost.org/2023/01/new-neuroscience-research-identifies-a-respiration-related-brain-network-64979

Они еще не сталкивались с "Белочкой", "Мишкой на севере" и т.д. https://www.jneurosci.org/content/early/2023/01/19/JNEUROSCI.0752-22.2022

Умер Кришна Шеной. Посвящу несколько постов разбору его работ. Главной фишкой Шеноя было то, что он читал предыдущую нейрофизиологическую литературу и переводил предыдущие результаты из этой области в конструкции нейроинтерфейсов. Все статьи Шеноя начинаются со словосочетания "High-performance...", что несколько подозрительно; но это нужно смотреть конкретно. По своим человеческим качествам он был the nicest person I have ever met, что выгодно отличало его от до&%$@*ов в этой области, позволяло иметь много друзей и, соответственно, публиковаться в хороших журналах.

Антидепрессанты портят процесс reinforcement learning. Кто-то мне говорил (извиняюсь за фразу в стиле Оскара Кучеры), что в некоторых московских вузах порядка 80% студентов сидят на антидепрессантах. Если так, то они еще должны плохо учиться и/или неадекватно реагировать на обычные режимы наказания/подкрепления... https://neurosciencenews.com/ssri-emotional-blunting-22327/

Вот примечательная статья из лаборатории Шеноя, утверждающая, что когда мозги готовят движение, но не совершают его, нейроны входят в "ортогональное" состояние. Забавно, но, скорее всего, правда. Причем еще забавнее, что идею для этой статьи подал им я. Я рецензировал какую-то их предыдущую статью, где они пытались сказать что-то умное по поводу подготовительной активности в моторной коре и стал допытываться (по делу, так как было связано с какой-то их аргументацией): активность есть, а движения нет; почему так? https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3955357/

Правда, насчет "ортогональности" Шеной с коллегами несколько переврали, так как не читали статью Джеорджопоулуса с его коллегами, утверждавшую прямо противоположное. На это я указал в статье-комментарии. Заодно показал, как формулы Шеноя связаны с векторами Джеорджопоулуса. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2017.00502/full

По-моему, вот это статью я рецензировал. Помино мутных рассуждений о том, кто кого ингибирует, там интересная тема о том, можно ли во внеклеточной записи разделять пирамидальные нейроны и интернейроны. Думаю, что это возможно, но только когда запись ведется свежими электродами, только что введенными в мозг. Всякими там Utah arrays никаких интернейронов не запишешь. https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/jn.00231.2009

Куда ни ткнешь, везде high performance:

Gilja, V., Nuyujukian, P., Chestek, C. A., Cunningham, J. P., Yu, B. M., Fan, J. M., ... & Shenoy, K. V. (2012). A high-performance neural prosthesis enabled by control algorithm design. Nature neuroscience, 15(12), 1752-1757.

Willett, F. R., Avansino, D. T., Hochberg, L. R., Henderson, J. M., & Shenoy, K. V. (2021). High-performance brain-to-text communication via handwriting. Nature, 593(7858), 249-254.

Santhanam, G., Ryu, S. I., Yu, B. M., Afshar, A., & Shenoy, K. V. (2006). A high-performance brain–computer interface. nature, 442(7099), 195-198.

Pandarinath, C., Nuyujukian, P., Blabe, C. H., Sorice, B. L., Saab, J., Willett, F. R., ... & Henderson, J. M. (2017). High performance communication by people with paralysis using an intracortical brain-computer interface. Elife, 6, e18554.

Gilja, V., Pandarinath, C., Blabe, C. H., Nuyujukian, P., Simeral, J. D., Sarma, A. A., ... & Henderson, J. M. (2015). Clinical translation of a high-performance neural prosthesis. Nature medicine, 21(10), 1142-1145.

Kao, J. C., Nuyujukian, P., Ryu, S. I., & Shenoy, K. V. (2016). A high-performance neural prosthesis incorporating discrete state selection with hidden Markov models. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 64(4), 935-945.

Achtman, N., Afshar, A., Santhanam, G., Byron, M. Y., Ryu, S. I., & Shenoy, K. V. (2007). Free-paced high-performance brain–computer interfaces. Journal of neural engineering, 4(3), 336.

Nuyujukian, P., Fan, J. M., Kao, J. C., Ryu, S. I., & Shenoy, K. V. (2014). A high-performance keyboard neural prosthesis enabled by task optimization. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 62(1), 21-29.

Willett, F. R., Avansino, D. T., Hochberg, L. R., Henderson, J. M., & Shenoy, K. V. (2020). High-performance brain-to-text communication via imagined handwriting. BioRxiv.

Gilja, V., Nuyujukian, P., Chestek, C. A., Cunningham, J. P., Yu, B. M., Ryu, S. I., & Shenoy, K. V. (2010). High-performance continuous neural cursor control enabled by a feedback control perspective. In Front Neurosci Conference Abstract: Computational and Systems Neuroscience.

Shenoy, K. V., Churchland, M. M., Santhanam, G., Yu, B. M., & Ryu, S. I. (2003, September). Influence of movement speed on plan activity in monkey pre-motor cortex and implications for high-performance neural prosthetic system design. In Proceedings of the 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (IEEE Cat. No. 03CH37439) (Vol. 2, pp. 1897-1900). IEEE.

Santhanam, G., Ryu, S. I., Yu, B. M., Afshar, A., & Shenoy, K. V. (2005, March). A high performance neurally-controlled cursor positioning system. In Conference Proceedings. 2nd International IEEE EMBS Conference on Neural Engineering, 2005. (pp. 494-500). IEEE.

Santhanam, G., Yu, B. M., Gilja, V., Ryu, S. I., Afshar, A., Sahani, M., & Shenoy, K. V. (2008, March). A factor-analysis decoder for high-performance neural prostheses. In 2008 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (pp. 5208-5211). IEEE.

Сделали в свое время вполне добротную статью, послали в Journal of Neuroscience:

https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/jn.00031.2013

Так этот, извиняюсь за выражение, х%р ("Reviewer #2) пишет: зачем вы это подаете; Марк же наш Черчланд уже открыл, как кортикальная активность связана с ЭМГ (там на самом деле какой-то бред про взведенные пружины; но это отдельный разговор).

В общем, завернули нашу статью; пришлось публиковать в Journal of Neurophysiology.

Так классическая нейронаука столкнулась с современными, так сказать, тенденциями.

Пока лучшие умы ломали копья в спорах о свободе воли, Шеной с коллегами написали детерминистическую формулу:

dx/dt = f(x(t), u(t))

"where x is now an N-dimensional (ND) vector describing the firing rates of all neurons recorded simultaneously, which we call the neural population state, and is evaluated around time t. The vector dx/dt is its temporal derivative, f is a potentially nonlinear function, and u is a vector describing an external input to the neural circuit (a U-dimensional vector). In this formulation, neural population responses reflect underlying dynamics resulting from the intracellular dynamics, circuitry connecting neurons to one another (captured by f), and inputs to the circuit (captured by u)."

Подобное торжество учения Сеченова-Павлова, с одной стороны, можно только приветствовать, но, с другой стороны...

А что, собственно, с другой стороны?

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7402639/

Цитата из статьи Шеноя (google translate плюс моя редакция):

"Поскольку нейроны преимущественно активны как во время подготовки, так и во время движения, как эта активность не вызывает движения? Классические теории предполагали, что подготовительная деятельность была подпороговой (Tanji & Evarts, 1976) или шунтированной (Cisek, 2006). Однако Черчленд и соавт. (2010) показали низкую корреляцию предпочтительных направлений между подготовкой и движением, а Kaufman et al. (2010, 2013) проанализировали классы нейронов во время подготовки и не обнаружили смещения в сторону ингибирующих клеток. Структура вычислений через динамику предоставляет вычислительную схему, которая может объяснить это явление с помощью концепции нулевых пространств (рис. 6). Если бы нейронная активность во время подготовки развивалась по нейронным измерениям, которые были ортогональны измерениям, изучаемым во время движения, то подготовительная активность не вызывала бы преждевременного движения. Кауфман и др. (2014) вместе с Elsayed et al. (2016) обнаружили доказательства существования такого механизма в моторной коре: измерения с потенциалом вывода предположительно передают информацию мышцам и преимущественно активны во время движения, а измерения с нулевым выходом преимущественно активны во время подготовки. Недавно Ставиский и соавт. (2017a) представили проверку более общей теории о том, что ортогональные измерения могут использоваться для гибких вычислений с использованием интерфейса мозг-компьютер (BCI), где выходные размеры можно контролировать экспериментально. Они показали, что сенсорная обратная связь, относящаяся к сигналам ошибки, изначально изолирована в нулевых для декодера, а не в декодер-потенциальных измерениях".


Здесь, конечно, масса глубоких мыслей, но вот что интересно: упомянутая ортогональность никогда не фигурирует в обсуждениях интерфейсов, основанных на моторном воображении, хотя, казалось бы, это наисущественнейший элемент.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7402639/

SARS-CoV-2 вызывает глубокие изменения обоняния, включая полную потерю обоняния. Хотя эти изменения часто носят временный характер, у многих пациентов с COVID-19 наблюдается нарушение обоняния, которое длится от нескольких месяцев до нескольких лет. Хотя исследования вскрытия животных и человека позволили предположить механизмы, вызывающие острую аносмию, остается неясным, как SARS-CoV-2 вызывает стойкую потерю обоняния у части пациентов. Чтобы ответить на этот вопрос, мы проанализировали образцы обонятельного эпителия, взятые из 24 биопсий, в том числе от девяти пациентов с объективно оцененной длительной потерей обоняния после COVID-19. Этот подход на основе биопсии выявил диффузный инфильтрат Т-клеток, экспрессирующих интерферон-γ, и сдвиг в составе популяции миелоидных клеток, включая обогащение дендритными клетками CD207+ и истощение противовоспалительных макрофагов М2. Несмотря на отсутствие обнаруживаемой РНК или белка SARS-CoV-2, экспрессия генов в поддерживающих барьер клетках обонятельного эпителия, называемых поддерживающими клетками, по-видимому, отражала ответ на продолжающуюся воспалительную сигнализацию, которая сопровождалась снижением количества обонятельные сенсорные нейроны относительно обонятельных эпителиальных поддерживающих клеток. Эти результаты показывают, что воспаление, опосредованное Т-клетками, сохраняется в обонятельном эпителии еще долго после того, как SARS-CoV-2 был элиминирован из ткани, что указывает на механизм долговременной потери обоняния после COVID-19. https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.add0484

Очень часто приходится видеть/слышать, как кто-то с гордым видом отвергает утверждение, что мозг использует только сколько-то процентов себя, но на самом деле это так. И молчащих нейронов много, и синапсов. https://scitechdaily.com/surprising-discovery-mit-neuroscientists-find-that-adult-brain-is-filled-with-millions-of-silent-synapses/

"Its implant, the Layer 7 Cortical Interface, is a strip of flexible, thin film material – similar to a piece of Scotch tape, but with a thickness that is 1/5th that of a human hair. It is configured to conform to the surface of the brain without damaging tissue, and can be implanted using a proprietary, minimally invasive cranial micro-slit technique. Precision’s device is engineered to be safely removable and can process large amounts of data. Each microelectrode array comprises 1,024 electrodes, with electrode density 600 times greater than standard cortical arrays."

Интересно, что в подобных обьявлениях никогда не упоминается проблема биосовместимости, а между тем мозг приучен к тому, чтобы сверху на нем лежали оболочки, а не какие-то тонкие пленки. Причем, эту тонкую пленку могут даже сьесть соответствующие имунные клетки.

https://www.finsmes.com/2023/01/precision-neuroscience-raises-41m-in-series-b-funding.html

А мозг молчит https://www.researchgate.net/profile/Shy-Shoham/publication/7229391_How_silent_is_the_brain_Is_there_a_dark_matter_problem_in_neuroscience/links/56665a6808ae192bbf92803a/How-silent-is-the-brain-Is-there-a-dark-matter-problem-in-neuroscience.pdf

Бывший сотрудник, работавший над дизайном доклинических исследований, и бывший директор лаборатории, работавший над оценкой безопасности имплантированных устройств Neuralink (до испытаний на людях), недавно объявили об увольнении, используя именно эту терминологию. Оба проработали в стартапе не менее двух лет. https://endpts.com/neuralink-employees-cite-layoffs-at-elon-musks-brain-computer-interface-startup/

Почитайте — за что купил, как говорится, за то и продаю. Но, кстати, крысиная модель подобного напрашивается, и были бы ресурсы, я б непременно сделал. https://www.washingtonpost.com/wellness/2023/01/26/smell-loss-covid-bionic-nose-brain/

Самая цитируемая статья Шеноя -- это про "ротационную динамику". Ее нужно будет разобрать подробно, но пока замечание о том, что делала обезьяна в этом эксперименте.

А обезьяна, разумеется, жульничала.

Идеализированное описание эксперимента такое: сначала обезьяна готовится к движению, пребывая в полной неподвижности, а затем его совершает. Соответственно, два состояния (states): подготовка (preparation) и выполнение (execution).

В реальности, конечно, обезьяна не дурак, и во время подготовки совершает движения. Это видно на видео (нужно будет поискать -- эксперимент заимствован из лаборатории Ричарда Андерсена; они делали видео).

А раз движение во время "подготовки" уже есть, то его, вообще говоря, хорошо бы его задокументировать. Но здесь, к сожалению, всегда куда-то пропадает контроль в виде записи ЭМГ. Хотя понятно, почему он пропадает -- жульничанье обезьяны вносит грязь и портит идеальную картинку.

Доходило до смешного. Я видел статью других авторов (не этих, но тоже из Калифорнии) на стадии рецензии. Не был рецензентом, но видел. Так вот у них рука обезьяны была закреплена в неком агрегате и она могла подыгрывать себе, надавливая на агрегат. В первом варианте статьи эта информация была, но в опубликованном на всякий случай убрали, чтобы не бросалось в глаза. Записией ЭМГ, разумеется, тоже не показали.

Могу показаться слишком придирчивым по данному пункту -- подумаешь, проделки обезьян. Но он все же имеет некоторую значимость.


https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3393826/