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在最近的一项研究实验中，老鼠在一台嵌入虚拟现实的跑步机上跑步。在它的脑海中，它看到自己在一个隧道里匆忙前行，前面有一个独特的灯光图案。通过训练，老鼠已经知道，如果它在红灯前停下，并保持这个姿势1.5秒，它就会得到奖励。然后它就可以冲向另一组灯去接受另一个奖励。 这个实验是麻省理工学院的神经科学家埃利·亚当等在《细胞报告》7月份发表的研究的基础。它探索了一个简单的问题：老鼠、人类和其他哺乳动物的大脑是如何瞬间阻止我们前进的呢？这项新研究揭示，大脑并不能以最直接的方式传递一个“停止”命令。相反，它采用了一种基于微积分原理的更复杂的信号系统。这听起来可能过于复杂，但这是一种令人惊讶的聪明的控制行为的方式。 控制简单的步行或跑步的机制是相当容易描述的，大脑的中脑运动区（MLR）向脊髓中的神经元发送信号，脊髓向控制腿部肌肉的运动神经元发送抑制或兴奋冲动。每个信号都是由神经元放电产生的电活动峰值。 然而，当引入目标时，事情就变得更加复杂了，比如一个网球运动员想要跑到球场上的一个确切的位置，或者一只口渴的老鼠盯着远处清爽的奖品。生物学家早就知道目标是在大脑皮层中形成的。大脑如何将一个目标（停止奔跑，这样你就能得到奖励）转化成一个精确的信号，告诉中脑运动区刹车的呢？约翰霍普金斯大学的神经科学家Sridevi Sarma说，
为了理解这个问题的答案，研究人员监测了一只老鼠大脑中的神经活动，同时计算了动物从极速减速到完全停止所需的时间。他们期望看到一个抑制信号涌进中脑运动区，触发腿几乎立即停止，就像电子开关关闭灯泡一样。 但数据的差异很快就破坏了这一理论。当老鼠减速时，他们观察到一个“停止”信号流入中脑运动区，但它的强度峰值不够快，不足以解释动物停下的速度。研究人员说，
因此，研究人员知道，一定有一个额外的信号系统在起作用。 为了找到它，他们再次观察了老鼠大脑的解剖结构。在产生目标的皮层和控制运动的中脑运动区之间有另一个区域，丘脑下核（STN）。我们已经知道，丘脑下核与中脑运动区的连接有两条途径，一条发送兴奋信号，另一条发送抑制信号。研究人员意识到中脑运动区对两种信号之间的相互作用做出反应，而不是依赖于任何一种信号的强度。 当运动的小鼠准备停止时，中脑运动区从丘脑下核接收到抑制信号。几乎在此之后，它也会收到兴奋的信号。每个信号都很慢，但它们之间的切换很快，这就是中脑运动区所关注的：它记录下两个信号之间的差异。差异越大，抑制信号的变化越快，中脑运动区命令腿停止的速度越快。 微积分的作用 研究人员用微积分的两个基本概念来描述这种停止机制：
如果停止仅仅取决于中脑运动区接收到的停止信号的多少，那么它可以被认为是一种积分形式；重要的是信号的数量。但事实并非如此，因为积分本身不足以实现快速控制。相反，中脑运动区计算两个信号之间的差值，这反映了导数的计算方法：取两个无穷小的接近值之间的差值来计算曲线在一点处的斜率。导数的快速变化抵消了积分的缓慢变化，允许快速停止。 研究人员说，
这种基于微积分的控制系统听起来可能是间接的，但它具有重要意义。当老鼠在虚拟现实中移动，或者网球运动员在球场上比赛时，他们知道自己的速度有多快很有用。但是对于计划他们下一步需要做什么，知道他们加速或减速的速度是更有用的——他们运动的导数函数。 |
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