Neurowissenschaftler machen großen Durchbruch in der 200-Jahr-alten Rätsel

Neurowissenschaftler machen großen Durchbruch in der 200-Jahr-alten Rätsel

Seit Jahrhunderten der geistigen Welt des Geistes und der physischen Welt so behandelt, wie völlig Verschieden ist. Während der Bewegung von unbelebten Objekten gemessen werden konnte und letztlich vorhergesagt mit Hilfe der Mathematik, das Verhalten von Organismen zu sein schien, geprägt durch verschiedene Kräfte unter der Kontrolle des Willens.

Vor rund 200 Jahren, der Deutsche Arzt Ernst Heinrich Weber aus einem scheinbar harmlosen Beobachtung führte zu der Geburt der Disziplin der Psychophysik—die Wissenschaft über körperliche Reize in der Welt und die Empfindungen, die Sie hervorrufen, in den Geist von einem Gegenstand. Weber gebeten, Themen zu sagen, die zwei leicht unterschiedlichen GEWICHTE schwerer. Aus diesen Experimenten entdeckte er, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Thema machen wird, die richtige Wahl hängt nur von dem Verhältnis zwischen den gewichten.

Zum Beispiel, wenn Sie einen Gegenstand korrekt zu 75 Prozent der Zeit, wenn der Vergleich ein Gewicht von 1 Kg und ein Gewicht von 1,1 Kg, dann wird Sie auch richtig sein, 75 Prozent der Zeit, wenn man zwei GEWICHTE von 2 und 2,2 Kg—oder, im Allgemeinen, jedes paar von gewichten, von denen eines 10 Prozent schwerer als die anderen. Dieses einfache, aber präzise Regel öffnete die Tür zu der Quantifizierung von Verhalten in Bezug auf die mathematischen Gesetze.

Weber ‚ s Beobachtungen wurden seitdem allgemein alle sensorischen Modalitäten über viele Tierarten, die zu dem, was ist jetzt bekannt als Webers Gesetz. Es ist die älteste und am fest etabliertes Gesetz in der Psychophysik. Psychophysische Gesetze beschreiben präzise die Regeln der Wahrnehmung und sind wichtig, da Sie genutzt werden kann, um mathematische Erklärungen von Verhalten in Bezug auf Prozesse im Gehirn, genauso wie das präzise Muster der Bewegung der Planeten am Himmel waren nützlich, um zu verstehen gravitation.

Viele Erklärungen für die Webers Gesetz vorgeschlagen wurden, über die Jahre. Obwohl Sie alle Konto für Weber die Erkenntnisse, keine experimentellen Tests gefunden worden, um zu identifizieren, welches Modell richtig war. So, das Rätsel zu lösen, eine mathematische Erklärung von Webers Gesetz offen geblieben.

Nun, ein team von Forschern an der Champalimaud Centre for the Unknown in Lissabon, Portugal, hat entdeckt, dass Weber-Gesetz beschrieben werden kann als die Folge einer neuen psychophysischen Regel mit der Zeit, die es braucht, um eine Wahl zu treffen, nicht nur das Ergebnis der Entscheidung. Das team hat gezeigt, dass diese neue Regel ist ausreichend, um daraus eine eindeutige und genaue mathematische Modell beschreibt den kognitiven Prozess zugrunde liegende Weber-Gesetz. Ihre Ergebnisse sind beschrieben in einem Artikel, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience.

Zeit ist der Schlüssel

In dieser neuen Studie, das team von Alfonso Renart trainierten Ratten zu unterscheiden zwischen zwei Töne leicht unterschiedlicher Intensitäten. Sie Bauten winzige Kopfhörer, speziell abgestimmt auf die Köpfe von Ratten, und Sie verwendet, um zu liefern sounds gleichzeitig auf beide Ohren.

In jedem Versuch, den sound auf einem der beiden Lautsprecher etwas lauter, und die Ratte Aufgabe war es, zu berichten, die Lautsprecher gespielt, der lauter sound durch die Orientierung in Richtung der entsprechenden Seite. „Dieses Verhalten ist natürlich für die Ratten, denn Sie richten Ihre Köpfe in Richtung der Quelle des lautes, so wie wir es tun“, erklärt José Pardo-Vazquez, ein Artikel der co-Autoren. Die Ratten erleben konnte, wie der sound so lange, wie Sie brauchten, um Ihre Meinung. Und damit auch jeder Versuch, sofern eine Wahl und eine Entscheidung Zeit.

„Unsere Experimente bestätigt, dass sich die Tiere Verhalten abgestimmt Weber ’s Gesetz“, sagt Pardo-Vazquez. „Ihre Fähigkeit, zu erkennen, welcher der beiden Töne war lauter hing nur davon ab, auf das Verhältnis zwischen den sounds“ – Intensitäten. Wenn die Ratte hatte zum vergleichen der Intensitäten der zwei sounds gespielt wurden weich, seine Genauigkeit war nur so gut, wie mit ein paar sounds, die gespielt wurden laut, solange beide Paare hatten die gleiche Intensität-Verhältnis.“

Dann begann das team, um im detail zu analysieren, wie lange die Ratten nahmen bei Ihren Entscheidungen, ein Schritt, stellte sich heraus, kritisch zu sein. „In der Regel Studien von Weber-Gesetz konzentriert sich auf die Genauigkeit der Diskriminierung, das ist das, was Weber selbst beschrieb,“ Pardo-Vazquez erklärt. „Erstaunlich, die Zeit genommen zu entscheiden, hat wenig Aufmerksamkeit erhalten.“

Das team realisiert Entscheidung und mal die Lautstärke der beiden Klänge verbunden waren—je lauter die Geräusche, desto kürzer ist die Zeit der Entscheidung. In der Tat, Sie zeigten, dass die Art dieser Verknüpfung war einzigartig und mathematisch zu präzisieren, dass die Entscheidung mal beobachtet, in der eine Diskriminierung zwischen zwei leise Töne, zum Beispiel, genau proportional zu der Entscheidung mal gemessen, wenn der Gegenstand diskriminiert zwischen beiden laute Geräusche—so lange wie Ihre relativen Intensitäten waren konstant.

Über Weber ‚ s Law

Das team hatte in der Tat vor einer neuen psychophysischen Gesetzes, die Sie als „Zeit-Intensitäts-äquivalenz bei Diskriminierung“ (GEBUNDEN), denn Sie verbindet die Gesamt-Intensität von ein paar sounds und die Zeit, die es brauchte, um zu unterscheiden zwischen Ihnen. Die GEBUNDEN ist strenger als Webers Gesetz, weil es nicht nur Verknüpfungen die Richtigkeit der Paare von Diskriminierungen, es verbindet auch Ihre damit verbundenen Entscheidung Zeiten. „Die Genauigkeit der Beziehung zwischen der Entscheidung mal in unseren Experimenten ist erstaunlich“, sagt Pardo-Vazquez. „Es ist ungewöhnlich, dass sich das Verhalten der Tiere können beschrieben werden mit solchen mathematischen Präzision.“

Zu untersuchen, ob die GEBUNDEN hielt auch in den verschiedenen Bedingungen, das team lief die gleiche Art von experiment mit menschlichen Versuchspersonen, Beschaffung von ähnlichen Ergebnissen. Sie analysieren auch Experimente, die von anderen gemacht, in denen Ratten durchführen olfaktorischen Diskriminierung von Geruch-Mischungen, wieder mit dem gleichen Ergebnis. „Es ist noch zu früh zu sagen, ob die GEBUNDEN ist, als general, als Webers Gesetz sind, aber die Tatsache, dass wir erhalten die gleichen Ergebnisse in zwei Arten und in zwei sensorische Modalitäten, ist ein wichtiger Erster Schritt,“ Pardo-Vazquez sagte.

Schließen auf das richtige Modell

Dutzende mathematische Modelle wurden vorgeschlagen, die über die Jahre zu erklären, Webers Gesetz, aber es gab keine klaren experimentellen test zu unterscheiden. Die Forscher sagen, dass die TIED bietet einen Weg vorwärts. Ihre Analyse zeigte, dass, um im Einklang mit den GEBUNDEN, ein mathematisches Modell der Diskriminierung ist Aufgabe benötigen würde, zu erfüllen eine Reihe von strengen Bedingungen.

„Das war fantastisch“, sagt Juan Castiñeiras, ein weiterer co-Autor der Studie. „Die GEBUNDENE eingeschränkt die Welt von möglichen Erklärungen, und damit gelöst, die Mehrdeutigkeit zwischen den vielen vorgeschlagenen Modelle von Weber-Gesetz.“ Eine zuvor vorgeschlagene Modell von den Psychologen Stephen Link am Ende der 1980er-Jahre kam in der Nähe der Lösung, verpasste aber eine wichtige Voraussetzung, die beschreiben, wie die Intensität der sensorischen Reize codiert ist, durch die Aktivität von sensorischen Neuronen.

Der Letzte Schritt war das festlegen von Bedingungen und konstruieren ein Modell, um zu testen, wie genau es entfielen auf das Verhalten der Ratten. „Wir analysierten das einfachste Modell mit den wenigsten mögliche Anzahl von Parametern“, erklärt Castiñeiras. Wenn die Werte dieser Parameter wurden ausgewählt, um zu maximieren die ähnlichkeit zum Verhalten der Ratten entdeckten Sie, dass die Passung des Modells war bemerkenswert. „Selbst das einfachste Modell, das effektiv erfasst alles, was wir Messen konnten fast ohne Fehler. Diese sehr verstärkt unsere zuversicht, dass das Modell beschreibt, etwas wahres darüber, wie Wahrnehmung funktioniert“, sagt Renart.

Präzise Experimente und Theorien führen zu definitiver Fortschritt

Diese Ergebnisse stehen in Ihrer Gebiet wegen der Präzision, mit der sowohl die neuen psychophysischen Regel und der mathematische Modell beschreibt die experimentellen Daten. „Obwohl weniger Häufig beobachtet, in der Biologie und in der Studie von Verhalten—wie in der Physik—genaue experimentelle Ergebnisse erlauben präzise Erklärungen, die zu beheben bisherigen Unklarheiten und stellen deshalb Fortschritte,“ sagt Renart. Zum Beispiel, Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine der wichtigsten Theorien in der Psychophysik war nicht ausreichend, um zu beschreiben, GEBUNDEN. „Die Herstellung mathematische Erklärungen, die Regel aus konkurrierenden Theorien ist sehr selten in den Neurowissenschaften, denn es gibt immer die Möglichkeit etwas zu ändern-ein Modell kompatibel zu machen mit den experimentellen Daten,“ Castiñeiras sagt. „Wir haben gezeigt, dass eine sehr einflussreiche Theorie in der Psychophysik (genannt Signal-Detection-Theorie), nicht Modell-Entscheidung mal und konnte deshalb nicht beschreiben, GEBUNDEN. Er verpasste die Essenz der Erklärung von Weber-Gesetz.“