机器学习用“读心术”测线虫闻了啥

机器学习用“读心术”测线虫闻了啥

2021-11-24 08:59来源: 中国科学报

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  近日,美国索尔克生物研究所神经生物学家Sreekanth Chalasani团队利用机器学习,实现了通过观察微小蠕虫的大脑活动,来判断几秒钟前它们闻到的是哪种化学物质,该研究能帮助科学家更好地理解大脑是如何运作和整合信息的。相关研究结果发表于美国《科学公共图书馆—计算生物学》。

  Chalasani感兴趣的是大脑如何在细胞水平上处理来自外部世界的信息。研究人员无法同时追踪活人体内860亿个脑细胞的活动,但他们可以在显微镜下只有302个神经元的秀丽隐杆线虫身上做到这一点。

  Chalasani解释,在线虫这样的简单动物中,研究人员可以在动物执行行动时监测单个神经元。这种分辨率目前在人类甚至老鼠身上都不可能实现。

  Chalasani团队开始研究线虫神经元对五种不同化学物质(苯甲醛、双乙酰、异戊醇、2-壬酮和氯化钠)的反应。之前的研究表明,线虫可以区分这些化学物质,对人类来说,这些化学物质闻起来大致像杏仁、奶油爆米花、香蕉、奶酪和盐的味道。虽然研究人员知道少数直接感知这些刺激的感觉神经元,但Chalasani团队更感兴趣的是大脑其他部分的反应。

  研究人员对线虫进行了改造,使302个神经元中每一个神经元都包含一个荧光传感器,当神经元活跃时,荧光传感器就会发光。而后,研究人员在显微镜下观察了48种不同的蠕虫反复暴露在5种化学物质中。平均而言,每一种化学物质会激活50或60个神经元。

  通过观察数据集的基本属性,如每个时间点有多少细胞活跃,研究团队无法立即区分不同的化学物质。因此,他们转向了一种叫做图论的数学方法,分析了细胞对之间的集体交互作用:当一个细胞被激活时,其他细胞的活性是如何变化的。

  这种方法表明,每当线虫暴露在氯化钠(盐)中,首先会在一组神经元(可能是感觉神经元)中出现一波活动,但大约30秒后,其他神经元的三联体开始强烈协调它们的活动。在其他刺激之后,这些相同的三联体并没有出现,让研究人员能基于大脑模式,准确地识别蠕虫何时暴露于盐中。

  Chalasani说:“线虫似乎对盐很感兴趣,会利用大脑中完全不同的电路结构做出反应。这可能是因为盐通常代表细菌,而细菌是蠕虫的食物。”

  接下来,研究人员使用机器学习算法确定了线虫大脑对这五种化学物质的反应中其他更细微的差异。该算法能够学习区分线虫对盐和苯甲醛的神经反应,但经常混淆其他三种化学物质。

  Chalasani说:“无论我们做了什么分析,这都是一个开始,但对于大脑如何区分这些物质,我们仍然只得到了部分答案。”

  当然,研究人员的最终目标不是读懂微小蠕虫的思想,而是为了更深入地了解人类如何在大脑中编码信息,以及在感觉处理障碍和相关病症中出错时会发生什么,如焦虑、注意缺陷多动障碍、自闭症谱系障碍等。(辛雨)

  相关论文信息:https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009591

[责任编辑: 赵清建 ]
阅读剩余全文(
为你推荐
新华社记者 胡超 摄  中老铁路首发列车驶过中国云南省元江哈尼族彝族傣族自治县境内的元江双线特大桥(12月3日摄,无人机照片)。新华社发(潘龙柱摄)  2021年9月12日,在老挝首都万象北郊的中国中铁二局中老铁路铺轨基地,希达·平蓬莎万(中)跟着中国师傅(右)检查列车。
04
新华社记者王劲玉 摄  在霍尔辛赫煤矿的主井绞车房,绞车每运行一次就可将25吨煤从井下提升到地面。新华社记者王劲玉 摄  上午11点,装有3000吨电煤的火车缓缓离开霍尔辛赫煤矿驶往河南,属于煤矿的保供之旅还在持续进行。
04
包括纽约州在内的美国多个州2日宣布出现更多变异新冠病毒奥密克戎毒株感染病例。包括纽约州在内的美国多个州2日宣布出现更多变异新冠病毒奥密克戎毒株感染病例。包括纽约州在内的美国多个州2日宣布出现更多变异新冠病毒奥密克戎毒株感染病例。
04
冬日,温暖的阳光照耀在内昆铁路云南昭通南站的站台上。新华社记者 杨文斌 摄  11月30日,果农在云南省昭通南站登上5647次列车,准备前往贵州销售苹果。
03
12月2日,新疆乌鲁木齐市南郊山区白雪皑皑,中国救援新疆机动专业支队在此开展冬季救援演练。
03
12月2日,在哈尔滨市香坊区安乐街道理工大学核酸检测点,医务人员在进行消毒。黑龙江哈尔滨市疾控中心公布12月2日0时-11时,哈尔滨市传染病医院报告新增本土新冠肺炎确诊病例3例,均为满洲里市确诊病例在哈尔滨的密切接触者。
03
12月1日,康复出院的先心病患儿与家人在医院工作人员的陪伴下走出福建省儿童医院大楼。12月1日,9名来自西藏昌都的先天性心脏病患儿经过20天的免费医治从福建省儿童医院康复出院,他们和家人将在福建省第九批援藏工作队队员的陪护下返回家乡,开始新的生活。
02
河北省黄骅市引导当地电子信息、新材料、节能环保等高新技术企业依托自身优势,将产品推向国内市场的同时,深耕国际市场,取得良好效益。河北省黄骅市引导当地电子信息、新材料、节能环保等高新技术企业依托自身优势,将产品推向国内市场的同时,深耕国际市场,取得良好效益。
02
在福建省福州市连江县的“海上牧场”,渔民驾船穿梭在一串串彩色浮球和养殖网箱之间,织就一幅海上牧场渔耕图。在福建省福州市连江县的“海上牧场”,渔民驾船穿梭在一串串彩色浮球和养殖网箱之间,织就一幅海上牧场渔耕图。
02
新冠病毒奥密克戎变异株正在全球引发高度关注。新华社记者 郑焕松 摄  11月30日,一架突尼斯航空的航班即将降落在比利时布鲁塞尔附近的扎芬特姆机场。新华社记者 郑焕松 摄  11月30日,一架突尼斯航空的航班即将降落在比利时布鲁塞尔附近的扎芬特姆机场。
01
载入更多资讯
返回
返回

点击右上角微信好友

朋友圈

点击浏览器下方“”分享微信好友Safari浏览器请点击“”按钮

点击右上角QQ

点击浏览器下方“”分享QQ好友Safari浏览器请点击“”按钮