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Science:颠覆认知,大脑的计算能力要高 10 倍以上

2017/03/13 来源:生物360
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导读
加州大学洛杉矶分校的科学家 3 月 9 日发表在《 Science 》上的一项新研究可能会改变科学家对大脑是如何工作的理解,并可能导致用于治疗神经系统疾病的新方法以及开发“思考” 更像人类的计算机。


加州大学洛杉矶分校的科学家 3 月 9 日发表在《 Science 》上的一项新研究可能会改变科学家对大脑是如何工作的理解,并可能导致用于治疗神经系统疾病的新方法以及开发“思考” 更像人类的计算机。

神经元的电信号传导

该研究主要集中于树突的结构和功能,其是神经元的组成。神经元是构成神经系统结构和功能的基本单位,它由细胞体和细胞突起构成。胞体产生短暂的电脉冲“峰值”来彼此连接和传递信号。科学家们普遍认为,胞体产生电脉冲激活树突,树突被动地发送电信号给其他神经元胞体,但这从未得到过验证。这个过程是记忆是如何形成以及存储的基础。科学家们也普遍认为, 传导电信号是树突的主要作用。

树突能产生电脉冲

但加州大学洛杉矶分校研究小组发现,树突并不只是被动的通信管道。他们的研究发现,树突在在那些能自由走动的动物中具有电活性, 比胞体产生近 10 倍多的电脉冲 。这一发现挑战了长久以来科学家们的观点,即胞体产生的电脉冲是产生知觉、学习以及记忆形成的主要形式。

“树突占 90% 以上的神经组织,”加州大学洛杉矶分校神经学家 Mayank Mehta,该研究的通讯作者。“知道树突比胞体是更活跃,这从根本上改变了我们对大脑是如何计算信息的认识。它可能为理解和治疗神经系统疾病、以及开发像人脑那样工作的电脑铺平了道路。”

树突还能产生电位波动

研究人员还发现,树突除了产生电脉冲外,还会形成较大的电位波动。电位的传递具有全或无的规律。除了形成电脉冲,树突也产生了幅度较大且缓慢变化的电位,这表明树突能够执行模拟计算。

大脑比以往研究测量的要活跃至少 10 倍以上

由于树突的数量几乎比神经中心多近 100 倍,Mehta 说,大量的树突状峰值的发生可能意味着大脑比以往我们认为的计算能力要高 100 倍。

科学家们将大鼠放在一个大型迷宫内允许其自由移动,4 天后测量大鼠的树突活性。从后顶叶皮层进行测量,其对大脑中的运动规划扮演着重要角色。研究人员发现,树突的活性比胞体更强,在大鼠睡眠时产生的峰值是胞体的 5 倍,当运动时是胞体的 10 倍。

树突为大脑研究开辟了新的道路

综观胞体以了解大脑工作方式为为众多医疗和科学问题提供了一个框架 ,即如何构建计算机来诊断和治疗疾病治疗。但是 Mehta 说,该框架是基于胞体而决定的,且这个过程是数字化的。

“我们发现表明,这种决定在树突中比在胞体更为频繁,而且这种计算不只是数字的,而且还进行模拟,”Mehta 说,“由于技术困难,以往研究脑功能主要集中在胞体。但是,我们已经发现了神经元的秘密生命—树突,这基本上可以改变我们对神经元如何进行计算的理解”。

参考资料:

1. Brain is 10 times more active than previously measured, researchers find

2. Dynamics of cortical dendritic membrane potential and spikes in freely behaving rats

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