人脑天生会算微积分，并应用于精准控制奔跑，来自MIT团队

什么你的大脑通过计算微积分来控制快速运动

这一发现来自麻省理工学院的研究团队。

他们认为，大脑并不是通过单一的信号来精确控制高速运动的，而是基于一个复杂的信号处理系统，通过比较抑制和兴奋信号来得到最终的指令。

在论文中，研究小组还用更形象化的说法描述了这一过程——大脑在自己计算微积分。

目前，这项研究已经发表在《细胞报告》上。

有网友看完觉得很神奇。

举个例子，这个说，既然大脑知道如何计算微积分，为什么大学还要学...

而这位，看了研究结论后说:这不是很像PID控制器吗。

那么，科学家如何证明上述结论呢。

大家说说吧。

控制行走和奔跑的机制本身并不难描述——大脑有一个中脑运动区，它向脊髓神经元发送信号。

之后，信号流向腿部肌肉的运动神经元其中，兴奋和抑制信号分别直接控制身体活动和停止

但是当跑步有了目的地，事情就复杂了。

在以前的研究中，生物学家知道目标信号在大脑皮层形成，然后传输到MLR。

但是如何给出精确的指令呢如何控制身体突然停下来这是一个问题

为此，研究人员以老鼠为实验对象，开发了一套实验系统。

他们固定老鼠的头部，通过光遗传学设备控制神经元的激活，同时让老鼠的脚掌踩在跑步机上，给它一个特殊的光图案地标，训练它移动。

如果老鼠能走到地标处并静止1.5s，就能听到奖励声并得到水，然后继续到下一个指定位置。

反之，广播错误提示不喂水，重启任务像这样来回训练

如果老鼠在30分钟内成功停留100次，研究人员将开始研究它的行为模式和信号传递过程。

首先，他们观察了老鼠的运动控制模式。

结果发现，为了更快获得奖励，老鼠会尽可能跑得快，然后在靠近目标的某个位置快速刹车，确保停在正确的位置。

研究人员认为，这一现象证明了老鼠瞬间切换了自己的运动决策模式，并用一组方程来描述这一过程:

基于上述结论和之前的理论研究，研究小组假设大脑皮层次级运动皮层向中央丘脑底核传递的信号，即控制动物运动的M2—STN通路，控制运动的停止。

为此，他们向通道输入信号来激活它。结果证实，老鼠跑向目标时确实提前停下来了，如下图A所示:

虽然M2—STN途径可以控制小鼠停止，但它一直都有效吗。

研究小组通过钙成像技术观察神经元活动的变化。

由此，他们可以直接发现，在地标图案的停止处，通路中的神经元也同步出现停止信号相应的，即使老鼠中途停下来，停止M2—STN通路的信号也没有出现

这说明该通路与小鼠跑向目的地的任务直接相关，而与一般运动的停止无关，视觉输入信号主导系统变化。

此外，科学家们总结了大脑各部分的活动随时间变化的函数，得到了以下曲线:

科研人员对大脑各部分的信号活动功能进行聚合和建模，给出一个区分时间的反馈控制系统。

次级运动皮层的视觉信号被用作输入项目经过STN，MLR等部分，分为激励和抑制两个信号，由系统计算

得到最终的输出项，然后完成对动作的控制:

在该系统的构建中，研究人员指出，大脑的PPN部分连接着多个神经元来驱动运动，因此系统对其进行了微分，以抵消日积月累的积分运算的影响。

科学家认为，基于上述系统，我们的身体可以在短时间内根据输入信号快速切换运动模式，在到达目的地之前准确地在某个位置开启减速刹车，最终停在特定位置。

在队伍后面

最后，见见研究团队。

埃利·亚当博士专注于使用数学方法结合实验工程来研究大脑动力学。

姆里甘卡·苏尔教授是这项研究背后团队的主要领导者。

参考链接:

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