神經(jīng)元如何控制大腦的謎團(tuán)終于解開了

大腦是效率的奇跡，經(jīng)過數(shù)千年的進(jìn)化磨練，因此它能夠在快速變化的世界中適應(yīng)和發(fā)展。然而，盡管進(jìn)行了數(shù)十年的研究，大腦如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的謎團(tuán)仍然難以捉摸。

我們新研究發(fā)表在雜志上細(xì)胞》揭示了神經(jīng)元（負(fù)責(zé)您的童年記憶、思想和情感的細(xì)胞）如何協(xié)調(diào)它們的活動(dòng)。

這有點(diǎn)像在一家高績(jī)效企業(yè)中工作。平衡個(gè)人技能與團(tuán)隊(duì)合作是成功的關(guān)鍵，但您如何實(shí)現(xiàn)平衡呢？

事實(shí)證明，大腦的秘密非常簡(jiǎn)單：將每個(gè)細(xì)胞精力的一半（且不少于 40%）投入到單個(gè)任務(wù)中。

剩下的努力去哪兒了？邁向可擴(kuò)展的團(tuán)隊(duì)合作。

關(guān)鍵在于：我們?cè)谖鍌€(gè)物種的大腦中發(fā)現(xiàn)了完全相同的組織結(jié)構(gòu)——從果蠅和線蟲到斑馬魚、老鼠和猴子。

這些物種來自生命之樹的不同分支，它們之間相隔不止一個(gè)億年的進(jìn)化，這表明我們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了優(yōu)化信息處理的基本原理。它還為當(dāng)今任何復(fù)雜的系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

關(guān)鍵的中間地帶

我們的發(fā)現(xiàn)解決了長(zhǎng)期存在的關(guān)于大腦的爭(zhēng)論：神經(jīng)元的行為是否像明星球員（每個(gè)都高度專業(yè)化和高效）還是他們優(yōu)先考慮團(tuán)隊(duì) 合作（確保整個(gè)系統(tǒng)即使在某些元素不穩(wěn)定時(shí)也能正常工作）？

回答這個(gè)問題一直很有挑戰(zhàn)性。直到最近，神經(jīng)科學(xué)工具還僅限于記錄幾個(gè)細(xì)胞或數(shù)百萬個(gè)細(xì)胞的活動(dòng)。

這就像試圖通過采訪少數(shù)員工或僅接收高級(jí)部門摘要來了解一家大型公司。關(guān)鍵的中間立場(chǎng)缺失。

然而，隨著鈣成像，我們現(xiàn)在可以同時(shí)記錄來自數(shù)萬個(gè)細(xì)胞的信號(hào)。鈣成像是一種讓我們通過使用熒光傳感器實(shí)時(shí)觀察神經(jīng)活動(dòng)的方法，熒光傳感器會(huì)根據(jù)細(xì)胞中的鈣水平亮起。

應(yīng)用我從物理訓(xùn)練中獲得的見解來分析大規(guī)模數(shù)據(jù)集，我們發(fā)現(xiàn)大腦活動(dòng)根據(jù)分形層次結(jié)構(gòu).

細(xì)胞協(xié)同工作以構(gòu)建更大、更協(xié)調(diào)的網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建一個(gè)組織，每個(gè)規(guī)模都反映了上下規(guī)模。

這個(gè)結(jié)構(gòu)回答了爭(zhēng)論：大腦實(shí)際上是雙.

它以一種巧妙的方式平衡了個(gè)性和團(tuán)隊(duì)合作。大約一半的努力都花在了 “個(gè)人” 性能上，因?yàn)樯窠?jīng)元在越來越大的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行協(xié)作。

大腦可以迅速適應(yīng)變化

為了測(cè)試大腦的結(jié)構(gòu)是否具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，我們運(yùn)行了計(jì)算模擬，揭示了這種分形層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化了整個(gè)大腦的信息流。

它允許大腦做一些至關(guān)重要的事情：適應(yīng)變化。它確保大腦高效運(yùn)行，以最少的資源完成任務(wù)，同時(shí)即使在神經(jīng)元失靈時(shí)也能保持功能，從而保持彈性。

無論您是在不熟悉的地形中導(dǎo)航還是對(duì)突發(fā)威脅做出反應(yīng)，您的大腦都會(huì)迅速處理新信息并采取行動(dòng)。神經(jīng)元不斷調(diào)整它們的協(xié)調(diào)性，使大腦保持足夠穩(wěn)定以進(jìn)行深入思考，同時(shí)又足夠敏捷以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)。

我們發(fā)現(xiàn)的多尺度組織允許不同的策略——或者”神經(jīng)代碼“ – 在不同尺度上發(fā)揮作用。

例如，我們發(fā)現(xiàn)斑馬魚的運(yùn)動(dòng)依賴于許多神經(jīng)元的協(xié)同工作。這種彈性設(shè)計(jì)確保游泳順暢地繼續(xù)進(jìn)行，即使在快速變化的環(huán)境中也是如此。

相比之下，鼠標(biāo)視覺適應(yīng)蜂窩規(guī)模，允許從場(chǎng)景中提取精細(xì)細(xì)節(jié)所需的精度。在這里，如果一些神經(jīng)元錯(cuò)過了關(guān)鍵信息，整個(gè)感知就會(huì)發(fā)生變化——就像視覺錯(cuò)覺欺騙你的大腦一樣。

我們的研究結(jié)果顯示，神經(jīng)元活動(dòng)的這種分形協(xié)調(diào)發(fā)生在一個(gè)巨大的進(jìn)化跨度中：從脊椎動(dòng)物（其最后一個(gè)共同祖先生活在 4.5 億年前）到可追溯到 10 億年前的無脊椎動(dòng)物。

這表明大腦已經(jīng)進(jìn)化到可以平衡效率和彈性，從而優(yōu)化信息處理和適應(yīng)新的行為需求。進(jìn)化的持久性暗示我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則。

基本原則？

這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代，因?yàn)槲锢韺W(xué)和神經(jīng)科學(xué)繼續(xù)相互作用，以揭示大腦的普遍規(guī)律，這些規(guī)律是在億萬年的自然選擇中精心制定的。需要未來的工作來了解這些原理如何在人腦中發(fā)揮作用。

我們的研究結(jié)果還暗示了更大的事情：這種關(guān)于個(gè)人關(guān)注和可擴(kuò)展團(tuán)隊(duì)合作的簡(jiǎn)單規(guī)則可能不僅僅是大腦的解決方案。

當(dāng)元素組織到分層網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，可以有效地共享資源，并且系統(tǒng)可以增強(qiáng)對(duì)中斷的能力。

最好的企業(yè)以相同的方式運(yùn)作——當(dāng)新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)時(shí)，個(gè)人可以在不等待經(jīng)理指示的情況下做出反應(yīng)，從而使他們能夠解決問題，同時(shí)迅速得到組織的支持。

在復(fù)雜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)彈性和效率可能是一個(gè)普遍的原則。

籃球傳奇人物邁克爾·喬丹他說得對(duì)：“天賦贏局，但團(tuán)隊(duì)合作和智慧贏冠軍”。

布蘭登·羅伯特·穆恩， 博士后研究員，悉尼大學(xué)

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