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神经科学家阐述如何改善大脑不同区域之间的通信

发布时间:2020-09-25 15:20:10 | 来源:【中国生物技术发展中心 2020年9月18日】
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图片来源: Hedyeh Rezaei

 

大脑各区域之间的选择性通信对于大脑功能至关重要。但是,大脑连接的脆弱性和稀疏性是一个很大的障碍。在过去的十年里,神经科学家们已经找到多种克服这一限制的方法。

近日,来自伊朗、德国和瑞典的科学家发现了双向连接在加速大脑区域间通信的新作用。他们的研究成果已发表在《PLoS Computational Biology》上。

本质上有两种方法可以应对大脑连接的脆弱性和稀疏性:同步或振荡。

在同步模式中,神经元在传递刺激时,它们会同步释放脉冲。神经元共同兴奋会比单个神经元对下游网络产生更强的联合效应。相反,在振荡模式中,网络振荡会通过调节接收刺激的下游神经元的膜电位来周期性地提升有效连接。

但是振荡需要在发送方和接收方网络中同步。

研究合著者、德国弗莱堡大学伯恩斯坦中心(BCF)的Ad Aertsen说:“至于同步振荡如何在大脑中发生,这是一个悬而未决的问题。一段时间以前,我们提出,神经网络的共振特性可用于产生同步振荡。”

神经元网络中的共振意味着当这个网络以特定的频率被刺激时,网络开始振荡,输入的信号会产生更大的影响。这种观点被称为“通过共振通信(CTR)”。

然而,CTR带来了另外一个问题。在网络中建立共振需要多个振荡周期。此外,这种共振需要在每个下游阶段产生。这意味着跨网络的通信速度很慢。

该研究通讯作者、瑞典皇家技术学院(KTH)的Arvind Kumar解释说:“我们认为,同步和振荡分别提供了快速和慢速的通信模式,它们可以用于不同的情况,但我们目前对这一问题仍然保持谨慎。”

加快通信速度的一个可能方法是减少建立共振所需的时间。为了达到这一目的,研究团队将精力集中于大脑各区域之间双向连接的解剖学观察,也就是说,不仅来自发送网络的神经元向接收神经元发送信号,而且来自接收网络的某些神经元也向发送网络发送信号。

该研究共同通讯作者、伊朗基础科学高级研究所的Alireza Valizadeh解释说:“这种双向连接很少,但是它们足以支撑发送网络和接收网络之间的回路。这种回路的作用是,可以在更少的周期内建立共振。更重要的是,该回路能够放大信号,无需在后续层中建立共振。”

BCF研究项目访问学生、伊朗赞詹大学的博士生Hedyeh Rezaei说:“值得注意的是,仅在一对共振的发送方和接收方网络之间建立这样一个连接回路,可以将网络通信速度至少提高两倍。”

Ad Aertsen总结道:“这些新发现为‘通过共振通信’理论提供了支持。重要的是,这些结果表明大脑各区域之间的双向连接具有一种新功能,即塑造大脑各区域之间更快速且更可靠的通信。”

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