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 。
在感觉运动控制方面 ， 人类和哺乳动物具有非凡的能力 。 几十年来 ， 人们一直在研究是什么让我们的大脑如此敏捷、快速和强健 。
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 ，
如果你只是把停止信号输入中脑运动区 ， 动物就会停下来 ， 但数学告诉我们 ， 停下来的速度不够快 。
因此 ， 研究人员知道 ， 一定有一个额外的信号系统在起作用 。
大脑皮层不提供开关 ， 我们认为这就是大脑皮层会做的事情 ， 用快速信号从0到1 。 它做不到这一点 ， 这是一个谜 。
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：
- 积分 ， 即测量曲线下的面积；
- 导数 ， 即曲线上某一点的斜率 。
研究人员说 ，
有一个兴奋信号和一个抑制信号 ， 这两种信号同时被比较 。 当这个值达到一定数量时 ， 就会抛出一个开关 ， 让动物停止运动 。推荐阅读
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