連接在一起的神經(jīng)元如何一起發(fā)射

為了快速準(zhǔn)確地放大感覺(jué)刺激，神經(jīng)元回路需要特定的布線。大約 70 年前，出現(xiàn)了“一起發(fā)射的神經(jīng)元連接在一起”的令人信服的想法。然而，在計(jì)算模型中，連接在一起的神經(jīng)元傾向于屈服于神經(jīng)生物學(xué)中未觀察到的活動(dòng)和不穩(wěn)定性的爆炸式增長(zhǎng)。Friedemann Zenke 小組現(xiàn)在描述了一種看似合理但直接的機(jī)制，生物學(xué)可以用來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。

感知是可靠的，而且速度驚人。例如，您只需一瞬間就能認(rèn)出照片中的一頭奶牛，并立即想起奶牛哞哞時(shí)發(fā)出的聲音和干草的氣味。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，您的大腦需要先快速放大或抑制特定信號(hào)，然后再將它們傳播到多個(gè)大腦區(qū)域。

1949 年，心理學(xué)家唐納德·赫布 (Donald Hebb) 提出了關(guān)于大腦如何實(shí)現(xiàn)這一壯舉的令人信服的“組裝理論”。最好的總結(jié)是口頭禪“神經(jīng)元一起燃燒的電線連接在一起。”這個(gè)想法是，對(duì)相同刺激做出反應(yīng)的神經(jīng)元優(yōu)先連接以形成“神經(jīng)元集合”。在學(xué)習(xí)和記憶中的關(guān)鍵作用。根據(jù)赫布理論，激活幾個(gè)選擇的神經(jīng)元足以觸發(fā)整個(gè)神經(jīng)元集合，從而為記憶回憶提供了一個(gè)假定的解釋。但是，由于連接在一起的神經(jīng)元更多地激發(fā)在一起，赫布集合經(jīng)常屈服于計(jì)算機(jī)模擬中活動(dòng)的爆炸式增長(zhǎng)，而在神經(jīng)生物學(xué)中很少觀察到這種不穩(wěn)定性。這種差異提出了一個(gè)問(wèn)題，即赫布學(xué)說(shuō)如何與解剖學(xué)上合理的回路機(jī)制相協(xié)調(diào)以提供快速的記憶回憶。

吳亦凡，前博士。Zenke 小組的學(xué)生，F(xiàn)riedemann Zenke 從計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的角度研究了這個(gè)問(wèn)題。研究人員意識(shí)到矛盾是問(wèn)題的核心。一方面，赫布系綜內(nèi)的突觸連接需要很強(qiáng)，以通過(guò)激活其他細(xì)胞來(lái)促進(jìn)快速記憶回憶。另一方面，連接不能很強(qiáng)以避免爆炸性活動(dòng)，這會(huì)阻止神經(jīng)元集合關(guān)閉，從而阻礙后續(xù)的刺激處理。

在 eLife 發(fā)表的一項(xiàng)研究中，Wu 和 Zenke 描述了一種看似合理但直接的機(jī)制，該機(jī)制結(jié)合了神經(jīng)生物學(xué)中觀察到的幾個(gè)電路元素，為矛盾提供了解決方案。非線性瞬態(tài)放大，正如該機(jī)制所稱(chēng)，有兩個(gè)階段：最初，強(qiáng)烈的正興奮性反饋選擇性地放大高于臨界閾值的刺激。隨后，生物突觸普遍存在的短期可塑性削弱了循環(huán)連接，從而重新穩(wěn)定系統(tǒng)并允許整體進(jìn)入抑制性穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

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