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神經科學家闡述如何改善大腦不同區域之間的通信

發布時間:2020-09-25 15:20:10 | 來源:【中國生物技術發展中心 2020年9月18日】
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圖片來源: Hedyeh Rezaei

 

大腦各區域之間的選擇性通信對于大腦功能至關重要。但是,大腦連接的脆弱性和稀疏性是一個很大的障礙。在過去的十年里,神經科學家們已經找到多種克服這一限制的方法。

近日,來自伊朗、德國和瑞典的科學家發現了雙向連接在加速大腦區域間通信的新作用。他們的研究成果已發表在《PLoS Computational Biology》上。

本質上有兩種方法可以應對大腦連接的脆弱性和稀疏性:同步或振蕩。

在同步模式中,神經元在傳遞刺激時,它們會同步釋放脈沖。神經元共同興奮會比單個神經元對下游網絡產生更強的聯合效應。相反,在振蕩模式中,網絡振蕩會通過調節接收刺激的下游神經元的膜電位來周期性地提升有效連接。

但是振蕩需要在發送方和接收方網絡中同步。

研究合著者、德國弗萊堡大學伯恩斯坦中心(BCF)的Ad Aertsen說:“至于同步振蕩如何在大腦中發生,這是一個懸而未決的問題。一段時間以前,我們提出,神經網絡的共振特性可用于產生同步振蕩。”

神經元網絡中的共振意味著當這個網絡以特定的頻率被刺激時,網絡開始振蕩,輸入的信號會產生更大的影響。這種觀點被稱為“通過共振通信(CTR)”。

然而,CTR帶來了另外一個問題。在網絡中建立共振需要多個振蕩周期。此外,這種共振需要在每個下游階段產生。這意味著跨網絡的通信速度很慢。

該研究通訊作者、瑞典皇家技術學院(KTH)的Arvind Kumar解釋說:“我們認為,同步和振蕩分別提供了快速和慢速的通信模式,它們可以用于不同的情況,但我們目前對這一問題仍然保持謹慎。”

加快通信速度的一個可能方法是減少建立共振所需的時間。為了達到這一目的,研究團隊將精力集中于大腦各區域之間雙向連接的解剖學觀察,也就是說,不僅來自發送網絡的神經元向接收神經元發送信號,而且來自接收網絡的某些神經元也向發送網絡發送信號。

該研究共同通訊作者、伊朗基礎科學高級研究所的Alireza Valizadeh解釋說:“這種雙向連接很少,但是它們足以支撐發送網絡和接收網絡之間的回路。這種回路的作用是,可以在更少的周期內建立共振。更重要的是,該回路能夠放大信號,無需在后續層中建立共振。”

BCF研究項目訪問學生、伊朗贊詹大學的博士生Hedyeh Rezaei說:“值得注意的是,僅在一對共振的發送方和接收方網絡之間建立這樣一個連接回路,可以將網絡通信速度至少提高兩倍。”

Ad Aertsen總結道:“這些新發現為‘通過共振通信’理論提供了支持。重要的是,這些結果表明大腦各區域之間的雙向連接具有一種新功能,即塑造大腦各區域之間更快速且更可靠的通信。”

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