图源:UKB & LMU / Nataliya Kraynyukova博士;西蒙·雷纳博士

在大脑中,我们的感知来自神经元之间复杂的相互作用,这些神经元通过突触连接在一起。但某些类型的神经元之间的连接数量和强度是不同的。来自波恩大学医院(UKB)、美因茨大学医学中心和路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学(LMU)的研究人员,以及来自法兰克福马克斯·普朗克大脑研究所的研究团队,作为优先级计划计算连接组学(SPP2041)的一部分,现在发现看似不规则的神经元连接强度的结构包含一个隐藏的顺序。这对神经元网络的稳定性至关重要。这项研究现已发表在该杂志上PNAS

十年前,连接组学,即创建大脑中大约860亿个神经元之间的连接图,被宣布为科学的未来里程碑。这是因为在复杂的神经元网络中,神经元通过成千上万个突触相互连接。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表现至关重要。

“然而,每个突触都是独特的,其强度会随着时间而变化。即使是在同一大脑区域测量同一类型突触的实验,也产生了不同的突触强度值。然而,这种实验观察到的可变性使得很难找到神经元网络强大功能的一般原理,”UKB实验癫痫学和认知研究研究所以及美因茨大学医学中心生理化学研究所的研究小组负责人Tatjana Tchumatchenko教授说,他解释了进行这项研究的动机。

数学和实验室有目的地结合起来

在初级视觉皮层(V1)中由眼睛通过丘脑(间脑中感觉印象的转换点)传递的信息首次被记录下来。研究人员仔细观察了在这一过程中活跃的神经元之间的联系。为了做到这一点,研究人员通过实验测量了两类神经元对大脑中不同视觉刺激的联合反应.同时,他们使用数学模型来预测突触连接的强度。来解释他们在实验室中记录的这种网络连接活动在美国,他们使用了所谓的“稳定的超线性网络”(SSN)。

LMU神经生物学研究小组负责人Laura Busse教授说:“这是为数不多的非线性数学模型之一,它提供了将理论模拟活动与实际观察到的活动进行比较的独特可能性。”“我们能够证明,将SSN与小鼠丘脑和皮层中视觉反应的实验记录相结合,使我们能够确定导致视觉皮层中记录的视觉反应的不同连接强度。”

连接强度之间的顺序是关键

研究人员发现,在观察到的突触强度变化背后是有顺序的。例如,从兴奋性神经元到抑制性神经元的连接总是最强的,而视觉皮层的反向连接则较弱。这是因为突触强度的绝对值在模型中有所变化——就像他们在早期实验研究中所做的那样——但无论如何总是保持一定的顺序。因此,相对比率对于测量活动的过程和强度至关重要,而不是绝对值。

LMU神经生物学的Simon Renner博士说:“值得注意的是,早期对突触连接的直接测量的分析揭示了与我们仅基于测量神经元反应的模型预测相同的突触强度顺序。”他对皮层和丘脑活动的实验记录允许表征两者之间的连接

“我们的研究结果表明,神经元活动包含了许多关于神经元网络底层结构的信息,这些信息不能从直接测量突触强度中立即显现出来。因此,我们的方法为研究难以通过实验获得的网络结构打开了一个有前途的前景,”UKB实验癫痫学和认知研究研究所和法兰克福马克斯普朗克大脑研究所的Nataliya Kraynyukova博士解释道。

更多信息:Nataliya Kraynyukova等人,丘脑和皮层视觉反应的体内细胞外记录揭示了V1连接规则,美国国家科学院院刊(2022)。DOI: 10.1073 / pnas.2207032119

期刊信息:美国国家科学院院刊

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