在人腦中檢測到了首創(chuàng)的信號

科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種發(fā)生在人腦中的獨特形式的細(xì)胞信息，揭示了我們?nèi)匀恍枰私馄渖衩氐膬?nèi)部運作。

令人興奮的是，這一發(fā)現(xiàn)暗示我們的大腦可能比我們意識到的更強大。

早在 2020 年，來自德國和希臘研究所的研究人員就報告了大腦外皮層細(xì)胞中的一種機制，該機制可以自行產(chǎn)生一種新的“分級”信號，這種信號可以為單個神經(jīng)元提供另一種方式來執(zhí)行其邏輯功能。

通過測量癲癇患者手術(shù)期間切除的組織部分的電活動，并使用熒光顯微鏡分析其結(jié)構(gòu)，神經(jīng)學(xué)家發(fā)現(xiàn)皮層中的單個細(xì)胞不僅使用通常的鈉離子來“燃燒”，而且還使用鈣。

這種帶正電的離子組合引發(fā)了以前從未見過的電壓波，稱為鈣介導(dǎo)的樹突狀動作電位或dCaAP。

大腦——尤其是人類的大腦——經(jīng)常被比作計算機。這個比喻有其局限性，但在某些層面上，它們以類似的方式執(zhí)行任務(wù)。

兩者都使用電壓的功率來執(zhí)行各種操作。在計算機中，它以相當(dāng)簡單的電子流的形式通過稱為晶體管的交叉點。

在神經(jīng)元中，信號以打開和關(guān)閉通道波的形式出現(xiàn)，這些通道交換帶電粒子，如鈉、氯化物和鉀。這種流動離子脈沖稱為動作電位.

神經(jīng)元不是晶體管，而是在稱為樹突的分支末端以化學(xué)方式管理這些信息。

“樹突是理解大腦的核心，因為它們是決定單個神經(jīng)元計算能力的核心，”洪堡大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家馬修·拉庫姆（Matthew Larkum）告訴沃爾特·貝克威斯（Walter Beckwith）2020 年 1 月在美國科學(xué)促進(jìn)會。

樹突是我們神經(jīng)系統(tǒng)的紅綠燈。如果動作電位足夠大，它可以傳遞給其他神經(jīng)，這些神經(jīng)可以阻斷或傳遞信息。

這是我們大腦的邏輯基礎(chǔ)——電壓的漣漪，可以以兩種形式集體交流：要么是和消息（如果 x和y 被觸發(fā)，消息被傳遞）;或或消息（如果 x或y 被觸發(fā)，消息被傳遞）。

可以說，沒有比人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)密集、皺巴巴的外部更復(fù)雜的了;大腦皮層。更深的第二層和第三層特別厚，擠滿了樹枝，這些樹枝執(zhí)行我們與感覺、思想和運動控制相關(guān)的高階功能。

研究人員仔細(xì)觀察了這些層的組織，將細(xì)胞連接到一種稱為生長樹突膜片鉗的裝置上，以向每個神經(jīng)元上下發(fā)送活性電位，記錄它們的信號。

“當(dāng)我們第一次看到樹突狀動作電位時，有一個'尤里卡'時刻，”拉庫姆說.

為了確保任何發(fā)現(xiàn)都不是癲癇患者獨有的，他們在從腦腫瘤中提取的少數(shù)樣本中仔細(xì)檢查了他們的結(jié)果。

雖然該團隊進(jìn)行了類似的實驗關(guān)于大鼠，他們觀察到的通過人體細(xì)胞嗡嗡作響的信號種類非常不同。

更重要的是，當(dāng)他們給細(xì)胞注射一種稱為河豚 毒素，他們還是找到了信號。只有阻斷鈣，一切都安靜了下來。

找到由鈣介導(dǎo)的動作電位已經(jīng)足夠有趣了。但是，對這種敏感的新型信號在大腦皮層中的工作方式進(jìn)行建模，揭示了一個驚喜。

除了邏輯和和或-type 功能，這些單個神經(jīng)元可以充當(dāng)“獨家”或(異或） 交叉路口，僅當(dāng)另一個信號以特定方式分級時才允許一個信號。

“傳統(tǒng)上，異或人們認(rèn)為運營需要網(wǎng)絡(luò)解決方案。研究人員寫道.

需要做更多的工作來了解dCaAP在整個神經(jīng)元和生命系統(tǒng)中的行為。更不用說它是否是人類的東西，或者類似的機制是否在動物王國的其他地方進(jìn)化出來。

技術(shù)也是著眼于我們自己的神經(jīng)系統(tǒng)獲得有關(guān)如何開發(fā)更好硬件的靈感;知道我們自己的單個電池還有更多技巧，可能會帶來將晶體管聯(lián)網(wǎng)的新方法。

究竟，這種新的邏輯工具是如何被擠壓到單個神經(jīng)細(xì)胞中轉(zhuǎn)化為更高功能的，這是未來研究人員需要回答的問題。

這項研究發(fā)表在科學(xué).

本文最初發(fā)表于2020年1月。

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