前宇宙学家之间的协作和计算神经学家Janelia生成一个新方法来识别重要的脑细胞之间的连接。

后职业生涯探索宇宙的奥秘,现在Janelia研究校园资深科学家正在研究人类大脑的奥秘和开发新见解脑细胞之间的连接。

Tirthabir Biswas有一个成功的职业生涯作为一个理论高能物理学家在2018年当他来到Janelia休假。关于宇宙Biswas仍然喜欢解决问题,但该领域失去了它的一些兴奋,许多重大问题已经回答。

“神经科学今天有点像物理一百年前,当物理有这么多数据,他们不知道发生了什么,这是激动人心的,”说Biswas的一部分菲茨杰拉德实验室。“有很多信息在神经科学和大量的数据,和他们了解一些特定的大电路,但是仍然不是一个包罗万象的理论认识,并有机会做出贡献。”

最大的悬而未决的问题之一在神经科学围绕大脑细胞之间的连接。有数百倍连接在人类的大脑比银河系的星星,但大脑细胞相连,为什么仍是一个谜。这限制了科学家的能力正是对待心理健康问题和发展更精确的人工智能。

开发一个数学理论的挑战,以更好地理解这些联系是一个问题Janelia组长詹姆斯·菲茨杰拉德首先提出当Tirthabir Biswas抵达他的实验室。

虽然菲茨杰拉德是出城几天,Biswas坐下来和纸和笔和他的背景用于高维几何考虑问题比神经科学家——一种不同的方法,通常依赖于微积分和代数来解决数学问题。几天之内,Biswas解决方案的主要见解,走近菲茨杰拉德就回来了。

“看来这是一个非常困难的问题,如果我说,“我已经解决了这个问题,”他可能会认为我疯了,”Biswas回忆说。“但我决定这样说。“菲茨杰拉德最初持怀疑态度,但是一旦Biswas布局完成他的工作,他们都意识到他是重要的事情。

“他有一个观点是这些网络是如何工作的,人们根本没有之前,”Fitzgerald说。“这一观点是通过跨学科的思考。这种洞察力是一个闪光的辉煌,他因为他认为,这只是翻译新问题他以前从来没有参与。”

Biswas的想法帮助团队发展了一种新的方式来识别重要的脑细胞之间的连接,6月29日出版物理评论研究。通过分析神经网络数学模型,模拟大脑细胞和它们的连接——他们能够找出某些连接大脑中可能比其他人更重要。

具体地说,他们看着这些网络如何将输入转换为输出。例如,输入可能是信号检测到眼睛和可能产生的大脑活动的输出。他们看着这连接模式导致相同的输入输出变换。

正如预期的那样,有无限可能的连接数为每个输入-输出的组合。但他们也发现,某些连接出现在每一个模型,领导团队表明这些必要的连接可能出现在真正的大脑。更好的理解比其他人更重要的连接可能会导致更大的意识如何真正的大脑中的神经网络执行计算。

下一步是实验神经科学家为了测试这个新的数学理论是否可以用来预测大脑中发生了什么。理论直接应用Janelia的努力地图的连接体飞大脑和在斑马鱼记录大脑活动。找出潜在的理论原则在这些小动物可以用来理解人类大脑连接,记录这样的活动还不可行。

“我们正在试图做的是提出的一些理论方法真正重要的理解和使用这些简单的大脑以验证这些理论,”Fitzgerald说。”简单的大脑,验证的一般理论可以用来思考大脑计算的工作方式更大的大脑。”

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引用

Tirthabir Biswas和詹姆斯·e·菲茨杰拉德。”几何框架来预测神经网络的结构与功能”。物理评论研究,2022年6月29日在线发表。doi: 10.1103 / PhysRevResearch.4.023255