大脑的秘密结构接线图

在大脑中,我们的感知来自神经元之间复杂的相互作用是通过突触连接。但数量和某些类型的神经元之间的连接强度可以有所不同。波恩大学医院的研究人员(UKB),美因茨大学医学中心和路德维希-马克西米利安-慕尼黑(LMU),连同马克斯普朗克研究所的一个研究小组在法兰克福大脑研究,作为优先计划的一部分计算——(SPP2041),现在发现,看似不规则的神经元连接的结构优势包含一个隐藏的秩序。这对神经网络的稳定性至关重要。这项研究已经发表在《华尔街日报》PNAS。

——十年前,就是创造了大约860亿个神经元之间的连接的地图在大脑中,被宣布为未来科学的里程碑。这是因为在复杂的神经网络中,神经元相互连接到成千上万的突触。在这里,单个神经元之间的连接强度很重要,因为它对学习和认知能力是至关重要的。

“然而,每个突触是独一无二的,其强度可以随时间变化。即使实验,测量了相同类型的突触的突触强度相同的大脑区域产生不同的值。然而,这个实验观察到的变化很难找到潜在的神经网络的强大功能,总体原则”教授说Tatjana Tchumatchenko,研究所的研究小组领导人实验癫痫学UKB和认知研究和生理化学研究所的美因茨大学医学中心,解释的动机进行研究。

数学和实验室故意相结合

在初级视觉皮层(V1)视觉刺激通过眼睛通过丘脑、间脑的切换点的感官印象,首先被记录下来。研究人员仔细查看了神经元之间的连接是活跃在这个过程。要做到这一点,研究人员测量了实验的共同反应神经元两类不同的视觉刺激小鼠模型。与此同时,他们用数学模型来预测突触连接的强度。解释他们的lab-recorded活动的网络连接初级视觉皮层,他们用所谓的“稳定supralinear网络”(SSN)。

“这是为数不多的非线性数学模型,提供了独特的可能性比较理论上模拟活动和实际观察到的活动,”劳拉会教授说,研究小组组长LMU神经生物学。“我们能够表明SSN结合实验记录鼠标丘脑和大脑皮层的视觉反应让我们确定不同的连接强度,导致视觉皮层记录视觉反应。”

序列之间的连接的优势是关键

研究人员发现,有一个顺序观察突触变化背后的力量。例如,兴奋性和抑制性神经元的连接总是最强的,而视觉皮层的反向连接较弱。这是因为突触强度的绝对值变化的建模,因为他们已经在前面的实验研究,但却始终保持一定的顺序。因此,相对比率是至关重要的课程和强度的测量活动,而不是绝对值。

“很显著,分析早期的直接测量突触的突触连接显示相同的顺序优势作为我们的模型预测基于测量神经反应,”西蒙·雷纳说,博士,LMU神经生物学的实验记录皮层和丘脑活动允许特征之间的联系大脑皮层神经元。

“我们的研究结果表明,神经活动包含了关于神经网络的底层结构信息不明显突触直接测量的优势。因此,我们的方法打开一个有前途的角度研究网络结构很难访问实验,”解释Nataliya Kraynyukova,博士的实验癫痫学和认知研究所UKB和马克斯普朗克在法兰克福大脑研究。