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在人类大脑中发现了一种前所未有的信号

科学家们发现了一种独特的细胞信息形式,它发生在人类大脑中,这是以前从未见过的。 有趣的是,这一发现暗示我们的大脑可能是比我们意识到的更强大的计算单位。

去年年初,来自德国和希腊研究所的研究人员报告了大脑外皮层细胞中的一种机制,它可以自行产生新的“梯度”信号,该信号可以为单个神经元配备另一种方式来执行其逻辑功能。

通过测量癫痫患者手术期间切除的组织切片的电活动并使用荧光显微镜分析它们的结构,神经学家发现大脑皮层中的单个细胞不仅使用通常的钠离子来“发射”,还使用钙离子。

这种带正电离子的组合释放出前所未有的电压波,称为钙介导的树突动作电位或 dCaAP。

大脑——尤其是人类的大脑——经常被比作电脑。 这个类比有其局限性,但在某些层面上,它们以类似的方式执行任务。

它们都利用电位的力量来进行不同的操作。 在计算机中,这是一种相当简单的电子流通过称为晶体管的结的形式。

在神经元中,信号以一波打开和关闭通道的形式出现,这些通道交换带电粒子,如钠、氯和钾。 这种流动离子的脉冲称为 工作潜力.

神经元不是晶体管,而是在称为树突的分支末端以化学方式传导这些信息。

树突是理解大脑的基础,因为它们是决定单个神经元计算能力的核心。 马修·拉科姆告诉沃尔特·贝克威斯 2020 年 1 月在美国科学促进会。

树突是我们神经系统的交通信号。 如果动作电位足够大,它可以传递到其他神经,它可以阻止或传递信息。

这些是我们大脑的基本原理 – 电压纹波可以以两种形式共同传达:要么 消息(如果 x y 开启,消息传递); 或 或者 消息(如果 x 或者 y 被触发,消息被传递)。

没有什么比人类中枢神经系统密密麻麻的外部更复杂的了。 大脑皮层。 第二和第三深层特别厚,布满了执行我们与感觉、思想和运动控制相关的高级功能的分支。

研究人员仔细观察了这些层的组织,将细胞附着在一种称为体细胞神经元贴片突触的装置上,以向上和向下发送每个神经元的能量电位,记录它们的信号。

“当我们第一次看到树枝状动作的潜力时,有一个‘灵光一现’的时刻,” 拉科姆说.

为了确保任何发现都不是癫痫患者独有的,他们审查了一些脑肿瘤样本中的发现。

虽然该团队进行了类似的实验 在老鼠身上,他们观察到的穿过人体细胞的信号类型非常不同。

重要的是,当他们给细胞注射一种叫做河豚毒素的钠通道阻滞剂时,他们仍然发现了一个信号。 只是通过阻断钙,大家都平静下来了。

寻找由钙介导的动作电位很有趣。 但是对这种敏感的新型信号在皮层中的工作方式进行建模揭示了一个惊喜。

除了逻辑 或者根据功能类型,这些单个神经元可以发挥作用 ‘独家的’ 或者 (异或) 交叉点,只有当另一个信号以某种方式分类时才允许一个信号。

“传统上, 异或 这个过程被认为需要一个网络解决方案,” 研究人员写了كتب.

需要做更多的工作来找出 dCaAPs 在整个神经元和生命系统中的行为。 更不用说它是否是人类的东西,或者动物王国的其他地方是否已经进化出类似的机制。

技术还从我们的神经系统中寻找如何开发更好设备的灵感; 知道我们的单个单元还有其他一些技巧可能会导致晶体管网络化的新方法。

这种新的逻辑工具如何将单个神经元转化为更高的功能是未来研究人员需要回答的问题。

这项研究发表在 科学.

本文的一个版本最初发表于 2020 年 1 月。

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