Taugagagnafræði: hvernig og hvers vegna

Grófa leiðarvísirinn til að gera gagnavísindi um taugafrumur

Heilinn sem gerir gagnavísindi. Trúnaður: Brain eftir Matt Wasser frá Noun Project

Hljóðlega, laumuspil er ný tegund taugavísindamanna að taka á sig mynd. Innan um fjölmargar röðir fræðimanna hafa risið teymi taugavísindamenn sem stunda vísindi með gögn um taugastarfsemi, um dreifða spretteringar hundruð taugafrumna. Ekki að búa til aðferðir til að greina gögn, þó að allir geri það líka. Ekki söfnun þessara gagna, til þess þarf annað, ægilegt, hæfileikasett. En taugavísindamenn sem nota fullt svið nútíma reikniaðferðar á þeim gögnum til að svara vísindalegum spurningum um heilann. Rannsóknir á taugagögnum hafa komið fram.

Í ljós kemur að ég er einn af þeim, þessum ættum vísindamanna um taugagögn. Tilviljun. Svo langt sem ég get sagt, þá er það þannig að öll vísindasvið fæðast: óvart. Vísindamenn fylgja nefinu, byrja að gera nýja hluti og finna allt í einu að það er lítill hópur af þeim í eldhúsinu í partýum (vegna þess að það er þar sem drykkirnir eru, í ísskápnum - vísindamenn eru klárir). Svo hérna er smá vísbending fyrir taugagagnafræðin: hvers vegna þau koma fram og hvernig við gætum ráðist í það.

Ástæðan er sú sama og öll svið vísinda sem hafa hleypt út gagnavísindum: gagnamagnið fer úr böndunum. Hvað varðar vísindin við að taka upp mikið af taugafrumum hefur þessi gagnaflóð vísindaleg rök fyrir því. Gáfur vinna með því að koma skilaboðum á milli taugafrumna. Flest þessi skilaboð eru í formi smápúlsa af rafmagni: toppar, við köllum þau. Svo að margir virðast rökréttir að ef við viljum skilja hvernig gáfur virka (og þegar þær virka ekki) verðum við að fanga öll skilaboðin sem berast milli allra taugafrumna. Og það þýðir að taka upp eins marga toppa frá eins mörgum taugafrumum og mögulegt er.

Barn sebrafish heila er með um 130.000 taugafrumur og að minnsta kosti 1 milljón tengsl á milli; humlaheila er með um eina milljón taugafrumur. Þú getur séð hvernig þetta myndi fara úr böndunum mjög fljótt. Núna skráum við einhvers staðar á milli tugi til nokkur hundruð taugafrumna á sama tíma með venjulegu búnaði. Við mörkin eru menn sem taka upp nokkur þúsund og jafnvel fáir fá tugi þúsunda (að vísu þessar upptökur taka taugafrumuvirkni með mun hægari hraða en taugafrumurnar gætu sent tindana sína).

Við köllum þetta brjálæðiskerfi taugavísindi: taugavísindi til rannsókna á taugafrumum; kerfi, til að þora að taka upp úr fleiri en einum taugafrumum í einu. Og gögnin eru flókin í huga. Það sem við höfum eru tugir til þúsundir samtímis skráðar tímaraðir, hver straumur af toppandi atburðum (raunverulegir toppar, eða einhver óbeinn mælikvarði á það) frá einum taugafrumu. Samkvæmt skilgreiningu eru þær ekki kyrrstæðar, tölfræði þeirra breytist með tímanum. Virkni þeirra dreifðist yfir mörg stærðargráðu, frá munkalíkum rólegum íhugun yfir í „trommusett í vindgöngum“. Og virkni þeirra er allt frá klukku-eins og reglulegur, til stam og sputtertering, til að skipta á milli lotur oflæti og lota af klárast.

Hjónabandið það með hegðun dýrsins sem þú hefur skráð taugafrumurnar frá. Þessi hegðun er hundruð rannsókna val; eða handahreyfingar; eða leiðir farnar um umhverfi. Eða hreyfing skynjunar, eða allrar líkamsstöðu vöðvans. Endurtaktu fyrir mörg dýr. Hugsanlega mörg heilasvæði. Og stundum heilar gáfur.

Við höfum engan sannleik á jörðu niðri. Það er ekki rétt svar; það eru engin þjálfunarmerki fyrir gögnin nema hegðunin. Við vitum ekki hvernig gáfur umrita hegðun. Svo við getum gert hlutina með hegðunarmerki, en við vitum næstum alltaf að þetta eru ekki svarið. Þetta eru bara vísbendingar um „svarið“.

Kerfis taugavísindi er síðan ríkur leikvöllur fyrir þá sem geta gifst þekkingu sína á taugavísindum við þekkingu sína til að greina gögn. Verið er að fæðast taugagagnafræðin.

Hvernig er það - eða gæti það verið gert? Hér er gróft leiðarvísir. Raison d'etre taugagagnafræðingurinn er að spyrja vísindalegra spurninga um gögn úr taugavísindum kerfisins; að spyrja: hvernig vinna allar þessar taugafrumur saman til að gera hlutina sína?

Það eru nokkurn veginn þrjár leiðir sem við getum svarað þeirri spurningu. Við getum séð þessar þrjár leiðir með því að skoða samsvörun milli rótgróinna flokka í námi véla og reikniaðferðum í taugavísindum kerfisins. Byrjum á því að skoða það sem við höfum til að vinna með.

Við höfum nokkur gögn frá n taugafrumum sem við höfum safnað með tímanum. Við munum fella þetta í fylki sem við köllum X - eins marga dálka og taugafrumur og eins margar raðir og tímapunkta sem við höfum skráð (þar sem það er undir okkur komið hve langur "tímapunktur" varir: við gætum gerðu það stutt, og láttu bara hverja færslu skráa 1 fyrir toppa, og 0 annars. Eða við gætum gert það lengi, og hver færsla skráir fjölda toppa á þeim liðnum tíma). Á þessum tíma hefur efni verið að gerast í heiminum - þar með talið það sem líkaminn hefur verið að gera. Svo við skulum setja þetta allt saman í fylki sem við köllum S - eins marga dálka og það eru eiginleikar í heiminum sem okkur þykir vænt um, og eins margar raðir og tímapunktar sem við höfum skráð fyrir þessa eiginleika.

Hefð er fyrir því að vélakennsla felur í sér að smíða þrjá flokka fyrirmyndir um ástand heimsins og fyrirliggjandi gögn: kynslóð, mismunun og þéttleiki. Sem gróft leiðbeiningar sýnir þessi tafla hvernig hver flokkur samsvarar grundvallarspurningu í taugavísindum kerfisins:

1 / Þéttleiki líkön P (X): er uppbygging í toppunum? Hljómar illa. En í raun og veru er þetta lykillinn að miklum rannsóknum á taugavísindum þar sem við viljum vita áhrif eitthvað (lyf, hegðun, svefn) á heilann; þar sem við erum að spyrja: hvernig hefur uppbygging taugavirkni breyst?

Með upptöku af fullt af taugafrumum getum við svarað þessu á þrjá vegu.

Í fyrsta lagi getum við magnað upp gaddavíxl hverrar taugafrumu með því að mæla tölfræðina fyrir hvern dálk X, eins og gengishraðann. Og spyrðu síðan: hver er fyrirmynd P (X) fyrir þessa tölfræði? Við getum þyrpt þessum tölfræði til að finna „tegundir“ af taugafrumum; eða einfaldlega passa módel að allri sameiginlegri dreifingu þeirra. Hvort heldur sem er, höfum við eitthvert líkan af gagnaskipulaginu við kornleika staka taugafrumna.

Í öðru lagi getum við búið til kynslíkön af virkni allrar íbúanna með því að nota línur X - vigra augnabliksins fyrir alla íbúa. Slíkar gerðir miða venjulega að því að skilja hversu mikið af uppbyggingu X er hægt að endurskapa frá örfáum skorðum, hvort sem það er dreifingin á því hve margir vektorar hafa hve marga toppa; eða parvisa fylgni milli taugafrumna; eða samsetningar þeirra. Þetta eru sérstaklega gagnleg til að vinna úr ef það er einhver sérstök sósa í virkni íbúanna, ef hún er eitthvað meira en sameiginleg virkni safns óháðra eða leiðinlega einfaldra taugafrumna.

Í þriðja lagi getum við tekið þá afstöðu að taugastarfsemin í X er einhver hávíddaráhersla á lágvíddarrými, þar sem fjöldi málanna D << n. Oftast er átt við með þessu: sumar taugafrumur í X eru í tengslum, svo við þurfum ekki að nota allt X til að skilja íbúa - í staðinn getum við skipt þeim út fyrir mun einfaldari framsetning. Við gætum þyrft tímaröðina beint, þannig að niðurbrot X verður í mengi N smærri fylkja X_1 til X_N, sem hver og einn hefur (tiltölulega) sterkar fylgni innan þess og þannig er hægt að meðhöndla þær sjálfstætt. Eða við gætum notað einhvers konar nálgun á víddarminnkun eins og greiningar á helstu íhlutum, til að fá lítið sett af tímaröðum sem hver lýsir einu ríkjandi formi tilbrigða í virkni íbúanna með tímanum.

Við getum gert meira en þetta. Ofangreint gerir ráð fyrir að við viljum nota víddarminnkun til að fella taugafrumur - að við notum minnkun á dálkana X. En við gætum alveg eins hrunið tíma, með því að beita víddarminnkun á línur X. Frekar en að spyrja hvort taugavirkni sé óþarfi. , þetta er spurt hvort mismunandi augnablik í tíma hafi svipuð taugavirkni. Ef aðeins er um handfylli af þessu að ræða, þá er greinilega gangvirkni skráða taugafrumna mjög einföld.

Við getum kastað upp breytilegum kerfisaðferðum hér líka. Hér reynum við að passa einföld líkön við breytingar á X með tímanum (þ.e. kortlagning frá einni röð í næstu) og notum þessi líkön til að magngreina tegundir gangverksins sem X inniheldur - með því að nota hugtök eins og „aðdráttarafl“, „aðskilnað“, „ hnakkur hnútur “,„ gryfjubifreið “og„ Arsenal hrynur “(aðeins einn af þeim er ekki raunverulegur hlutur). Það má líklega halda því fram að kraftmiklu módelin sem eru þannig búin séu öll þéttleikamódel P (X), þar sem þau lýsa uppbyggingu gagnanna.

Helvítis, við gætum jafnvel reynt að passa heilt kraftmikið líkan af taugrás, fullt af mismunafjöllum sem lýsa hverri taugafrumu, að X, þannig að líkanið okkar P (X) er síðan sýnatöku í hvert skipti sem við rekum líkanið frá mismunandi upphafsaðstæðum .

Með þessum þéttleikamódelum getum við passað þau sérstaklega að taugastarfseminni sem við skráðum í fullt af mismunandi ríkjum (S1, S2, ..., Sm) og svarað spurningum eins og: hvernig breytist uppbygging íbúa taugafrumna milli svefns og vakna? Eða við þróun dýrsins? Eða á meðan á að læra verkefni (þar sem S1 gæti verið prufu 1, og S2 prufa 2; eða S1 er lota 1 og S2 lota 2; eða margar samsetningar af þeim). Við getum líka spurt: hversu margar víddir spanna taugafrumur? Eru málin mismunandi á milli svæða heilabarkins? Og hefur einhver séð lyklana mína?

2 / Generative módel P (X | S): hvað veldur toppi? Nú erum við að tala. Hlutir eins og línuleg og ólínuleg líkön eða almenn línulíkön. Venjulega eru þessi líkön notuð á staka taugafrumur, á hvern dálk X. Með þeim erum við að passa líkan sem notar ástand heimsins S sem inntak, og spýtir út taugavirkni sem passar virkni taugafrumunnar eins náið og mögulegt er. Með því að skoða vigtunina sem gefin er fyrir hverja eiginleika S við endurgerð virkni taugafrumunnar getum við unnið úr því hvað þessi taugafruma virðist vera fjandinn.

Við gætum viljað velja líkan sem hefur nokkurn sveigjanleika í því sem telst „ástand heimsins“. Við getum látið eigin virkni taugafrumunnar fylgja sem eiginleiki og sjá hvort honum er sama um það sem það gerði áður. Fyrir sumar tegundir taugafrumna er svarið já. Springa getur tekið mikið úr taugafrumum og hún þarf að leggjast í hvíldarhvíld áður en hún getur farið aftur. Við getum líka hugsað víðtækara, og tekið við afganginn af íbúunum - restin af X - sem hluti af stöðu heimsins S á meðan taugafrumið er að skjóta. Þegar öllu er á botninn hvolft hafa taugafrumur stundum áhrif á skothríð hvors annars, eða þannig að mér er trúað. Svo að það er örlítið líklegt að svörun taugafrumna í sjónbarki sé ekki bara knúin áfram af stefnumörkun brúnar í umheiminum, heldur getur það einnig verið háð því hvað 10000 barksterar sem tengjast honum eru einnig að gera. Það sem við lærum síðan eru mest áhrifamiklu taugafrumur íbúanna.

Við þurfum ekki að beita þessum kynslóðum líkönum á einar taugafrumur. Við getum jafnt beitt þeim á þéttleiki okkar; við getum spurt hvað hver þyrping, eða vídd, er umritun um heiminn. Eða eins og sumir gerðu hérna getum við notað þéttleikalíkanið sjálft sem ástand heimsins og spurt hvaða eiginleika þessarar fyrirmyndar taugafrumum gefi fjandann.

Þær spurningar sem við getum svarað með þessum kynslóðum gerðum eru nokkuð augljósar: hvaða samsetning aðgerða spáir best svörun taugafrumna? Eru til staðar taugafrumur fyrir aðeins eitt? Hvernig hafa taugafrumur áhrif á hvor aðra?

3 / Mismunandi líkön P (S | X): hvaða upplýsingar bera toppar? Þetta er kjarnaspurning í taugavísindum í kerfinu þar sem það er sú áskorun sem allir taugafrumur standa frammi fyrir og eru niður frá skráðum íbúa okkar - allar taugafrumur sem fá aðföng frá taugafrumunum sem við skráðum frá og fylltum í fylki okkar X. Fyrir þá neðan taugafrumur verða að álykta hvað þeir þurfa að vita um umheiminn sem eingöngu byggist á toppum.

Hér getum við notað staðlaða flokka, sem kortleggur aðföng á merktar framleiðslur. Við getum notað línur X sem innslátt, hver sem er mynd af virkni íbúanna og reynt að spá fyrir um einn, sumir eða alla eiginleika í samsvarandi röðum S. Hugsanlega með töf á tíma, svo við notum röð X_t til spáðu fyrir um ástandið S_t-n sem var n skref í fortíðinni ef við höfum áhuga á því hvernig stofnar kóða ríki sem eru inntak í heilann; eða við getum notað röð X_t til að spá fyrir um ástand S_t + n sem er n skref í framtíðinni ef við höfum áhuga á því hvernig íbúar kóða fyrir einhver áhrif heilans á heiminn. Eins og hreyfingin í hreyfibarki sem er að gerast áður en ég skrifa hvern staf strax.

Hvort heldur sem er, tökum við nokkrar (en ekki allar, því að við leggjum ekki of mikið af) röðum af X, og þjálfum flokkarann ​​til að finna bestu mögulegu kortlagningu X á samsvarandi klumpur af S. Síðan prófum við flokkandann á hversu vel það getur spáðu afgangnum af S frá samsvarandi afgangi X. Ef þú ert ótrúlega heppinn gætu X og S verið svo langir að þú getir skipt þeim í lest, próf og staðfesta sett. Geymið það síðasta í læstum kassa.

Við gætum auðvitað notað eins öflugan flokkara og við viljum. Frá aðlögun að skipulagningu, gegnum Bayesian nálgun, til að nota 23 laga taugakerfi. Það fer frekar eftir því hvað þú vilt fá út úr svarinu og skiptin á milli túlkunarhæfis og valds sem þú ert sátt við. Skrif mín annars staðar hafa gert það skýrt hvaða hlið þessari viðskiptamiðlun ég hef tilhneigingu til. En ég er ánægður með að hafa reynst rangur.

Kóðunarlíkön af taugafrumum eru innsæi, en snerta nokkrar gamlar og djúpar heimspekilegar heimildir. Prófun á kóðun með mismunandi líkani gengur út frá því að eitthvað neðarlega reynir að afkóða S frá taugastarfsemi. Það eru tvö vandamál með þetta. Taugafrumum afkóðast ekki; taugafrumur taka í sig toppa sem inntak og framleiða sína eigin toppa. Frekar, þeir kóða aftur, frá einu setti af toppa í annað sett af toppa: kannski færri eða hægari; kannski meira, eða hraðar; kannski frá stöðugum straumi í sveiflu. Svo að mismunandi líkön eru nákvæmari að spyrja hvaða upplýsingar taugafrumur okkar eru að kóða aftur. En jafnvel ef við tökum þessa skoðun, þá er dýpra vandamál.

Með mjög fáum undantekningum, þá er enginn hlutur sem heitir „eftirliggjandi“ taugafruma. Taugafrumurnar sem við tókum upp í X eru hluti af flækjum heila, fullum af endalausum lykkjum; framleiðsla þeirra hefur áhrif á eigin inntak. Það sem verra er, sumar taugafrumurnar í X eru straum frá öðrum: sumar þeirra færa beint til hinna. Vegna þess, eins og fram kemur hér að ofan, hafa taugafrumur áhrif á hvor aðra.

Gróft, kannski gagnlegt, birtingarmynd fyrir taugagagnafræðin. Það er ófullkomið; eflaust er eitthvað að ofan rangt (svör á póstkorti á venjulegt heimilisfang). Ofangreint er tilraun til að samstilla vinnu hóps rannsóknarstofa með mjög ólíka hagsmuni, en sameiginlegur drif til að nota þessa tegund af líkani á stórum hópum taugagagna til að svara djúpum spurningum um hvernig gáfur vinna. Mörg þessara eru gagnaver, teymi sem greina tilraunagögn til að svara eigin spurningum; svo eitthvað sé nefnt - Johnathan Pillow; Christian Machens; Konrad Kording; Kanaka Rajan; John Cunningham; Adrienne Fairhall; Philip Berens; Cian O'Donnell; Il Memming Park; Jakob Macke; Gasper Tkacik; Oliver Marre. Um mig. Aðrir eru tilraunastofur með sterkar tilhneigingar til gagnavísinda: Anne Churchland; Mark Churchland; Nicole Rust; Krishna Shenoy; Carlos Brody; mörgum öðrum biðst ég afsökunar á því að hafa ekki nefnt.

Það eru ráðstefnur þar sem vinnu af þessu tagi er fagnað, jafnvel ekki hvatt. Tímarit um taugagagnafræði er á leiðinni. Eitthvað er að byggja. Komdu inn, gögnin eru yndisleg *.

* já ég varð að vísa til gagna sem eintölu til að fá þann vitleysingja brandara til að virka. Sú staðreynd að ég er að skrifa þessa neðanmálsgrein til að útskýra þetta mun gefa þér nokkra hugmynd um hve snögga athygli á smáatriðum taugagögn sem vísindamenn búast við.

Vil meira? Fylgdu okkur á Spike

Twitter: @markdhumphries