新智元編譯
來源：Science
翻譯：張易
【新智元導(dǎo)讀】考察神經(jīng)元胞體以理解大腦如何運(yùn)作，這曾為許多醫(yī)療和科學(xué)問題提供了框架——從診斷和治療疾病到如何構(gòu)建計(jì)算機(jī)。過去這一框架是基于對(duì)胞體做決策的認(rèn)識(shí)，且認(rèn)為該過程是數(shù)字的。UCLA的一項(xiàng)最新研究則表明，神經(jīng)元中的樹突產(chǎn)生的spike 是胞體產(chǎn)生的近10倍，且執(zhí)行的是模擬和數(shù)字的混合計(jì)算，這一方面意味著大腦的計(jì)算能力可能在以前所認(rèn)為的百倍以上，另一方面可能會(huì)為理解和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及開發(fā)類腦計(jì)算機(jī)鋪平道路。
UCLA的一項(xiàng)最新研究可能會(huì)改變科學(xué)家對(duì)于大腦如何工作的認(rèn)識(shí) ，并可能引出治療神經(jīng)障礙的新方法，甚至?xí)M(jìn)一步催生像人類一樣“思考”的計(jì)算機(jī)。
研究集中于樹突的結(jié)構(gòu)和功能，樹突是神經(jīng)元（大腦中的神經(jīng)細(xì)胞）的組成部分。神經(jīng)元是一個(gè)大的樹狀結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主體（胞體，soma）和許多稱為樹突外延（dendritesextending outward）的分支組成。神經(jīng)元胞體產(chǎn)生稱為“（峰值）spike”的短暫電脈沖，以彼此聯(lián)接和通信?？茖W(xué)家一般認(rèn)為神經(jīng)元胞體的spike激活樹突，然后樹突被動(dòng)地發(fā)送電流到其他神經(jīng)元的胞體，但這從未被直接測(cè)試過。這一過程是記憶形成和存儲(chǔ)的基礎(chǔ)。
但UCLA的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，樹突不只是被動(dòng)的渠道。他們的研究表明，樹突在自由活動(dòng)的動(dòng)物中具有電活性，其產(chǎn)生的spike 是胞體產(chǎn)生的近10倍。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)期以來的觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)，即神經(jīng)元胞體的spike是感知、學(xué)習(xí)和記憶形成的主要方式。
“樹突構(gòu)成超過90％的神經(jīng)組織，”UCLA神經(jīng)物理學(xué)家、研究的高級(jí)作者M(jìn)ayank Mehta說：“知道他們比神經(jīng)元胞體活躍得多，這從根本上改變了我們對(duì)大腦如何計(jì)算信息的認(rèn)識(shí)。它可能會(huì)為理解和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及開發(fā)類腦計(jì)算機(jī)鋪平道路?！?/span>
這項(xiàng)研究刊登在3月9日的Science期刊上。
UCLA科學(xué)家發(fā)現(xiàn)樹突（這里顯示為綠色）不僅是電流在神經(jīng)元之間的被動(dòng)導(dǎo)管。
此前科學(xué)家普遍認(rèn)為樹突只是簡(jiǎn)單地把他們從細(xì)胞的突觸（synapse）（兩個(gè)神經(jīng)元之間的鏈接）接收到的電流傳送到神經(jīng)元胞體，繼而由胞體產(chǎn)生電脈沖。這些短時(shí)的電信號(hào)的爆發(fā)，稱為體細(xì)胞峰值，被認(rèn)為是神經(jīng)計(jì)算和學(xué)習(xí)的核心。但新的研究表明樹突自己產(chǎn)生的峰值是胞體的10倍。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，樹突除了spike之外還產(chǎn)生了大的電壓波動(dòng); spike是二進(jìn)制的，非0即1，非有即無。神經(jīng)元胞體或者產(chǎn)生spike，或者完全沒有spike，這一點(diǎn)很像數(shù)字計(jì)算機(jī)。除了產(chǎn)生類似的spike，樹突還產(chǎn)生大的、緩慢變化的電壓，其值甚至大于spike，這表明樹突執(zhí)行的是模擬計(jì)算。
“我們發(fā)現(xiàn)樹突是模擬和數(shù)字計(jì)算的混合，因此它們與純數(shù)字計(jì)算機(jī)從根本上是不同的，但有點(diǎn)類似于模擬量子計(jì)算機(jī)。”UCLA的神經(jīng)與神經(jīng)生物學(xué)、同時(shí)也是物理和天文學(xué)教授Mehta說，“神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)基本信念是神經(jīng)元是數(shù)字設(shè)備。它們或者產(chǎn)生spike或者不產(chǎn)生spike。這一研究結(jié)果則顯示，樹突不像數(shù)字器件那樣表現(xiàn)得很純粹。樹突確實(shí)產(chǎn)生了數(shù)字信號(hào)，有或者完全沒有spike，但它們也顯示了大的模擬波動(dòng)，不是非有即無。這與過去60年神經(jīng)科學(xué)家的認(rèn)識(shí)相背離。
因?yàn)闃渫坏捏w積幾乎比神經(jīng)元中心大100倍，Mehta說，大量樹突spike的發(fā)生可能意味著大腦的計(jì)算能力是以前認(rèn)為的100倍以上。
最近對(duì)于腦切片的研究顯示，樹突可以產(chǎn)生spike。但是，在自然行為條件下，這種情況是否會(huì)發(fā)生以及發(fā)生的頻率都不清楚。在自然行為條件下測(cè)量樹突的電信號(hào)活動(dòng)長(zhǎng)期以來一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄兪侨绱司?xì)微妙：在對(duì)實(shí)驗(yàn)室老鼠的研究中，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物活動(dòng)時(shí)將電極放置在樹突，會(huì)殺死那些細(xì)胞。但是UCLA研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新技術(shù)，可以將電極放置在樹突附近，而不是在樹突中。
使用這一方法，科學(xué)家對(duì)在大型迷宮中自由活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室老鼠的樹突活動(dòng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)四天的測(cè)量?？茖W(xué)家從后頂葉皮層（大腦的這一部分在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中起關(guān)鍵作用）進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)樹突中的活動(dòng)遠(yuǎn)比在胞體內(nèi)活躍– 睡眠時(shí)大約是5倍，而探索時(shí)增加到10倍。
“以前的許多模型假設(shè)學(xué)習(xí)發(fā)生在兩個(gè)神經(jīng)元胞體同時(shí)活動(dòng)時(shí)，”UCLA博士后研究員和研究的第一作者JasonMoore說，“我們的研究結(jié)果表明，當(dāng)輸入神經(jīng)元和樹突神經(jīng)元同時(shí)活躍時(shí)，學(xué)習(xí)有可能發(fā)生。 - 而且樹突的不同部分可能會(huì)在不同的時(shí)間活躍，這也表明學(xué)習(xí)在單個(gè)神經(jīng)元內(nèi)發(fā)生時(shí)具有多得多的靈活性。
考察神經(jīng)元胞體以理解大腦如何運(yùn)作，這曾為許多醫(yī)療和科學(xué)問題提供了框架——從診斷和治療疾病到如何構(gòu)建計(jì)算機(jī)。但是，Mehta說，過去這一框架是基于對(duì)胞體做決策的認(rèn)識(shí)，且認(rèn)為該過程是數(shù)字的。
“我們的研究發(fā)現(xiàn)，這種決策在樹突中比在胞體內(nèi)發(fā)生得多的多，其計(jì)算過程不僅僅是數(shù)字的，而且是模擬的?！盡ehta說：“由于技術(shù)上的難題，對(duì)大腦功能的研究曾主要集中在胞體。但現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元特別是延伸出的神經(jīng)元分支中隱藏的秘密。我們的研究結(jié)果大大改變了我們對(duì)神經(jīng)元如何計(jì)算的理解?！?/span>
原文鏈接：http://sciencebulletin.org/archives/11147.html
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