大脑如何执行复杂的计算

在大约15年前在博士后,Ila Fiete开始在计算神经科学中寻找教师工作 - 一个使用数学工具来调查大脑功能的领域。但是,在美国当时没有广告的理论或计算神经科学的职位。

“这不是一个真正的领域,”她回忆起。 “完全改变,[现在]每年宣传15到20个开口。”她最终找到了在奥斯汀大学的德克萨斯大学的学习和记忆中心找到了一个职位,与包括麻省理工学院的小型大学,对有计算背景的神经生物学家开放。

计算是MIT PIT麦戈尔恩大脑研究所研究所研究的基石,自2018年以来,她一直是一名教师。使用计算和数学技术,她研究大脑如何以诸如学习,内存等认知任务的方式编码信息的方式以及对周围环境的推理。

Fiete实验室的一个主要研究区域是大脑如何能够在空间中不断计算身体的位置,并在我们移动时对该估算进行不断调整。

“当我们走遍世界时,我们可以闭上眼睛,仍然有一个非常好的估计,”她说。 “这涉及能够根据我们的自我运动感更新估计。大脑中还有许多计算涉及通过抽象或精神而不是物理空间来移动,以及整合某些品种或另一个的速度信号。一些相同的想法甚至是空间导航的电路可能涉及通过这些心理空间导航。“

没有更好的健康

海菲在孟买,印度和美国之间度过了童年,她的数学家父亲在伯克利加州大学加州大学的普林斯顿高级研究所和安娜堡密歇根大学举行了一系列访问或永久任用。

在印度,Fiete的父亲在塔塔基础研究所进行了研究,她在与其他许多学者的孩子共度时光。她总是对生物学感兴趣,而且还喜欢数学,跟随她父亲的脚步。

“我的父亲不是一个手父母,想教我很多数学,甚至问我关于我的数学学业如何进展,但是影响肯定存在。有一定的审美来思考数学上,我被间接吸收,“她说。 “我的父母没有把我推到学术界,但我忍不住受到环境的影响。”

她在安娜堡的高中度过了她的高中,然后去了密歇根大学,在那里她主修数学和物理学。在那里,她曾在本科研究项目上工作,包括印第安纳大学和弗吉尼亚大学的两个夏季阶级,这给了她在物理研究中的第一手经验。这些项目涵盖了一系列主题,包括质子放射疗法,单晶材料的磁性,低温物理学。

“这三个经历真的让我确定我想进入学者,”Fiete说。 “这肯定似乎是我最熟悉的道路,我认为它也最好适合我的气质。即使是现在,在更多的其他领域接触,我不能想到更好的合适。“

虽然她仍然对生物学感兴趣,但她只在大学的主题中占据了一门课程,因为她不知道如何与生物科学结婚的定量方法。她开始在哈佛大学的研究生学习计划学习低温物理学,但在那里,她决定开始探索生物学的定量课程。其中一个是由此教授的系统生物课程,由此教授Sebastian Seung,转变了她的职业轨迹。

“这真的激动人心,”她回忆道。 “在数学上思考生物学中的互动系统非常令人兴奋。真的是我对系统生物学的第一次介绍,它立即迷上了。“

她最终在SEUNG的实验室中完成了大部分博士学位,在MIT,她研究了大脑如何使用头部运动速度的传入信号来控制眼睛位置。例如,如果我们想在我们的头部移动时固定在特定位置的凝视,大脑必须连续计算和调整眼睛围绕肌肉所需的张力量,以补偿头部的运动。

“奇异”细胞

在获得博士学位之后,生中和丈夫是一个理论物理学家,在圣巴巴拉大学加州大学加州大学的Kavli理论物理学研究所,每个人都担任独立研究的奖学金。在那里,Fiete开始研究一项研究课题,她今天仍然研究 - 网格细胞。这些细胞位于大脑的Entorhinal皮质中,使我们能够通过帮助大脑创造空间的神经表示来导航我们的周围环境。

中途通过她在那里的位置,她了解到了一个新的发现,当大鼠穿过一个开放式房间时,其脑中的网格单元在几何上以常规的重复三角形的模式布置的许多不同位置。一群网格细胞形成一个代表整个房间的三角形格子。这些细胞也已发现在各种其他哺乳动物的大脑中,包括人类。

“太奇妙了。这是这种非常晶的反应,“Fiete说。 “当我读到这一点时,我掉了椅子。在那一点上,我知道这是一个奇怪的东西,它会产生关于可以计算地研究的发展,功能和脑电路的许多问题。“

一项问题生物和其他人已经调查了,大脑需要各自需要网格细胞,因为它还具有所谓的地方细胞,每个都在环境中的一个特定位置。 Fiete探索的可能解释是,不同尺度的网格单元,在一起,可以代表空间中的大量可能的位置以及空间的多个尺寸。

“如果你有几个可以解析一个非常大的编码空间的细胞,那么你可以不用使用大部分编码空间,”她说。 “你可以浪费大部分时间,这意味着你可以很好地分开东西,在这种情况下它不会易受噪音。”

由于返回麻省理工学院,她还追求了与她在博士论文中探索的研究主题 - 大脑如何保持头部位于太空中的神经表现。在一个 去年发布的文件,她发现大脑产生一种用作指南针的一维的神经活动环,允许大脑计算头部相对于外部世界的当前方向。

她的实验室还研究认知灵活性 - 大脑执行这么多不同类型的认知任务的能力。

“我们如何重复相同的电路并灵活地利用它们来解决许多不同的问题,以及对那种重用的神经电图是什么?”她说。 “我们还在调查允许大脑将多个电路钩住多个电路的原则,以解决新问题而无需重新配置。”

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Sarah McDonnell.
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麻省理工学院新闻办公室



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