Science：當神經元向一個方向流動

來源：作者：人氣：-發表時間：2024-04-29 11:15:00【大中小】

摘要：與之前的假設相反，人類新皮層的神經細胞與小鼠的神經細胞的連接方式不同。

與之前的假設相反，人類新皮層的神經細胞與老鼠的神經細胞的連接方式不同。這些是由柏林慈善基金會(charity - Universit tsmedizin)進行的一項新研究的結果，并發表在《科學》的科學*研究發現上，人類神經元以一個方向交流，而老鼠的信號傾向于循環流動。這提高了人類大腦處理信息的效率和能力。這些發現將進一步推動人工神經網絡的發展。

新大腦皮層是人類智力的關鍵結構，厚度不到5毫米。在大腦的最外層，有200億個神經元處理無數的感官知覺，計劃行動，形成我們意識的基礎。這些神經元是如何處理這些復雜信息的呢?這在很大程度上取決于它們彼此之間的“連線”方式。

圖1 人類2-3層皮層微電路中的定向和非循環突觸連接

更復雜的新皮層——不同的信息處理

慈善基金會神經生理學研究所所長Jörg Geiger教授解釋說:“我們以前對新皮層神經結構的理解主要是基于動物模型(如小鼠)的發現。在這些模型中，相鄰的神經元頻繁地相互交流，就好像它們在對話一樣。一個神經元向另一個神經元發送信號，然后另一個神經元再發回一個信號。這意味著信息經常循環流動。”

人類的大腦皮層比老鼠的要厚得多，也復雜得多。盡管如此，研究人員之前假設——部分由于缺乏數據——它遵循相同的基本連接原則。由蓋格領導的慈善研究小組現在使用非常罕見的組織樣本和最先進的技術來證明情況并非如此。

一種監聽神經元交流的聰明方法

在這項研究中，研究人員檢查了23名在慈善醫院接受神經外科手術治療耐藥性癲癇的患者的腦組織。在手術過程中，醫學上有必要切除腦組織，以便進入其下方的病變結構。患者已經同意將這種組織用于研究目的。

為了能夠觀察人類新皮層最外層相鄰神經元之間的信號流動，研究小組開發了一種改進版的“多片”技術。這使得研究人員可以同時監聽多達10個神經元之間的通信(詳細信息見后)。因此，他們能夠在細胞停止體外活動之前的短時間內進行必要數量的測量來繪制網絡。總的來說，他們分析了近1170個神經元之間的通信通道，其中有大約7200個可能的連接。

前饋而不是循環

他們發現，只有一小部分神經元會相互對話。“在人類中，信息傾向于向一個方向流動。它很少直接或通過循環回到起點，”該出版物的第一作者Yangfan Peng博士解釋說。他曾在神經生理學研究所從事這項研究，現在在慈善大學神經學系和神經科學研究中心工作。該團隊使用了一個計算機模擬，該模擬是根據人類網絡架構的相同原理設計的，以證明這種正向信號流在處理數據方面具有優勢。

研究人員給人工神經網絡一個典型的機器學習任務:從語音數字的錄音中識別正確的數字。模仿人類結構的網絡模型比模仿老鼠的網絡模型在語音識別任務中獲得了更多的正確反應。它的效率也更高，同樣的性能在小鼠模型中需要相當于380個神經元，而在人類模型中只需要150個。

人工智能的榜樣?

“我們在人類身上看到的定向網絡架構更強大，更節約資源，因為更多的獨立神經元可以同時處理不同的任務，這意味著本地網絡可以存儲更多信息。目前還不清楚我們在顳葉皮層最外層的發現是否可以擴展到其他皮層區域，或者它們能在多大程度上解釋人類獨特的認知能力。”

過去，人工智能開發人員在設計人工神經網絡時從生物模型中尋找靈感，但也獨立于生物模型優化了他們的算法。

“許多人工神經網絡已經使用了這種正向連接的某種形式，因為它在某些任務中提供了更好的結果。”“令人著迷的是，人類大腦也顯示出類似的網絡原理。這些對人類新皮層中具有成本效益的信息處理的見解可以為改進人工智能網絡提供進一步的靈感。”

關于方法

當進行手術治療耐藥或難治性癲癇時，醫學上通常需要切除腦組織。為了在剛剛發表的研究中檢查這種有價值的組織，需要患者的明確同意。研究小組對患者的同意深表感謝。作者使用了一種被稱為“膜片鉗”的方法來分析神經元之間的突觸通訊。在這項技術中，一個超薄的玻璃移液管附著在顯微鏡下的單個神經元上，以測量或刺激細胞的電活動。這項研究利用了這種技術的一種先進形式，其中多個微移液管同時記錄多達10個神經元的活動和連通性(“多片”方法)。

為了能夠精確定位移液器，該設備配備了能夠在納米范圍內運動的機械臂。測量過程是極具挑戰性和勞動密集型的。同時使用兩個設備，研究小組可以研究每個組織樣本中神經細胞之間的數百個連接。在活動停止之前，腦組織可以在體外的人工營養液中保存長達兩天。

參考資料

[1] Directed and acyclic synaptic connectivity in the human layer 2-3 cortical microcircuit