在所有物種中，大腦功能都依賴于復(fù)雜的連接網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)允許神經(jīng)元在彼此之間來回發(fā)送信息，指揮思想和身體活動(dòng)。但在這些網(wǎng)絡(luò)中，一小部分神經(jīng)元之間的聯(lián)系比所有其他神經(jīng)元之間的聯(lián)系要強(qiáng)得多。這些異常強(qiáng)烈的連接——根據(jù)其分布形狀被稱為“重尾”——被認(rèn)為在大腦功能中發(fā)揮著巨大的作用。
研究人員長期以來一直想知道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何能夠重新排列以形成這些罕見的連接，以及形成過程是否是特定于物種的，還是受更深層次的共同原則支配。隨著《自然物理學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇新論文，紐約市立大學(xué)理論科學(xué)研究生中心 (ITS)、耶魯大學(xué)、芝加哥大學(xué)和哈佛大學(xué)的科學(xué)家們距離回答這些問題越來越近了。
“為了理解神經(jīng)元之間這些非常強(qiáng)的聯(lián)系，你可以想象一個(gè)社交網(wǎng)絡(luò)：一些聯(lián)系，比如與你最好的朋友和家人的聯(lián)系，比大多數(shù)聯(lián)系都強(qiáng)得多，這些在網(wǎng)絡(luò)中非常重要，”克里斯托弗·林恩解釋說，該論文的第一作者，曾是 ITS 項(xiàng)目的博士后研究員，現(xiàn)在是耶魯大學(xué)物理學(xué)助理教授。
“直到最近，我們還沒有辦法弄清楚這些罕見聯(lián)系聚集在一起的機(jī)制，但特定形式的顯微鏡和成像技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在使我們能夠了解它是如何發(fā)生的。”
研究人員分析了果蠅、小鼠和兩種蠕蟲(秀麗隱桿線蟲和扁形線蟲)神經(jīng)元之間連接的大型公開數(shù)據(jù)集。使用體積電子顯微鏡和高通量圖像處理收集的編目數(shù)據(jù)使他們能夠比較多個(gè)物種的網(wǎng)絡(luò)，尋找重尾連接形成方式的相似性和差異。
科學(xué)家們創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述他們認(rèn)為神經(jīng)元之間的接線如何重新排列以發(fā)展這些牢固的連接。該模型基于神經(jīng)科學(xué)中一種已有數(shù)十年歷史的機(jī)制，即赫布可塑性，該機(jī)制表示，當(dāng)神經(jīng)元一起放電時(shí)，它們就會(huì)連接在一起。
研究人員表明，這種赫布可塑性導(dǎo)致神經(jīng)元形成他們在數(shù)據(jù)中觀察到的重尾連接類型。更重要的是，當(dāng)他們將神經(jīng)活動(dòng)納入模型時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的第二個(gè)關(guān)鍵特征出現(xiàn)了：聚類，或者神經(jīng)元形成緊密結(jié)合的群體的趨勢。
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