在人腦中首次檢測(cè)到

科學(xué)家們已經(jīng)確定了人腦中發(fā)生的一種獨(dú)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(yùn)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(shí)到的更強(qiáng)大。

2020 年，來(lái)自德國(guó)和希臘研究所的研究人員報(bào)告了大腦外皮層細(xì)胞中的一種機(jī)制，該機(jī)制可以自行產(chǎn)生一種新的“分級(jí)”信號(hào)，這種信號(hào)可以為單個(gè)神經(jīng)元提供另一種執(zhí)行其邏輯功能的方式。

通過(guò)測(cè)量癲癇患者手術(shù)中切除的組織切片的電活動(dòng)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(gè)細(xì)胞不僅使用通常的鈉離子來(lái)“火”，還使用鈣。

這種帶正電的離子組合引發(fā)了前所未有的電壓波，稱為鈣介導(dǎo)的樹突動(dòng)作電位 （dCaAP）。

大腦——尤其是人類的大腦——經(jīng)常被比作計(jì)算機(jī)。這個(gè)類比有其局限性，但在某些級(jí)別上，它們以類似的方式執(zhí)行任務(wù)。

兩者都使用電壓的力量來(lái)執(zhí)行各種操作。在計(jì)算機(jī)中，它以相當(dāng)簡(jiǎn)單的電子流過(guò)稱為晶體管的交叉點(diǎn)的形式。

在神經(jīng)元中，信號(hào)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，例如鈉、氯化物和鉀。這種流動(dòng)的離子脈沖稱為動(dòng)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?yàn)樗鼈兪菦Q定單個(gè)神經(jīng)元計(jì)算能力的核心，”洪堡大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家馬修·拉庫(kù)姆告訴沃爾特·貝克維斯2020 年 1 月在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì) （American Association for the Advancement of Science） 上發(fā)表演講。

樹突是我們神經(jīng)系統(tǒng)的紅綠燈。如果動(dòng)作電位足夠重要，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。

這就是我們大腦的邏輯基礎(chǔ)——電壓漣漪，可以以兩種形式集體交流：要么和message （如果 x和y 觸發(fā)，則傳遞消息）;或或message （如果 x或y 觸發(fā)，則傳遞消息）。

可以說(shuō)，這在人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)密集、起皺的外部最為復(fù)雜;大腦皮層。更深的第二層和第三層特別厚，充滿了執(zhí)行我們與感覺、思想和運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的高階功能的分支。

研究人員仔細(xì)觀察了這些層的組織，將細(xì)胞連接到一種稱為體樹突膜片鉗的裝置上，以在每個(gè)神經(jīng)元上下發(fā)送主動(dòng)電位，記錄它們的信號(hào)。

“當(dāng)我們第一次看到樹突動(dòng)作電位時(shí)，有一個(gè)'尤里卡'時(shí)刻，”“Larkum 說(shuō).

為了確保任何發(fā)現(xiàn)都不是癲癇患者獨(dú)有的，他們?cè)趶哪X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(tuán)隊(duì)進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)對(duì)老鼠，他們觀察到的在人類細(xì)胞中嗡嗡作響的信號(hào)類型非常不同。

更重要的是，當(dāng)他們給細(xì)胞注射一種名為河豚 毒素，他們還是找到了一個(gè)信號(hào)。只有通過(guò)阻斷鈣，一切都安靜了下來(lái)。

找到鈣介導(dǎo)的動(dòng)作電位已經(jīng)足夠有趣了。但是，對(duì)這種敏感的新型信號(hào)在皮層中的工作方式進(jìn)行建模，揭示了一個(gè)驚喜。

除了邏輯和和或-類型的函數(shù)，這些單獨(dú)的神經(jīng)元可以充當(dāng)“獨(dú)家”或(異或） 交集，僅當(dāng)另一個(gè)信號(hào)以特定方式分級(jí)時(shí)，才允許一個(gè)信號(hào)。

“傳統(tǒng)上，異或運(yùn)營(yíng)被認(rèn)為需要網(wǎng)絡(luò)解決方案。研究人員寫道.

需要做更多的工作來(lái)觀察 dCaAP 在整個(gè)神經(jīng)元和生命系統(tǒng)中的表現(xiàn)。更不用說(shuō)它是不是人類的東西，或者類似的機(jī)制是否在動(dòng)物王國(guó)的其他地方進(jìn)化出來(lái)。

技術(shù)也是關(guān)注我們自己的神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)如何開發(fā)更好的硬件的靈感;了解我們自己的單個(gè)電池還有更多技巧，可能會(huì)帶來(lái)將晶體管聯(lián)網(wǎng)的新方法。

這種被擠進(jìn)單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的新邏輯工具究竟是如何轉(zhuǎn)化為更高功能的，是未來(lái)研究人員需要回答的問(wèn)題。

這項(xiàng)研究發(fā)表在科學(xué).

本文的早期版本發(fā)表于 2020 年 1 月。

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