大腦各區(qū)域之間的選擇性通信對(duì)于大腦功能至關(guān)重要。但是，大腦連接的脆弱性和稀疏性是一個(gè)很大的障礙。在過(guò)去的十年里，神經(jīng)科學(xué)家們已經(jīng)找到多種克服這一限制的方法。
近日，來(lái)自伊朗、德國(guó)和瑞典的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了雙向連接在加速大腦區(qū)域間通信的新作用。他們的研究成果已發(fā)表在《PLoS Computational Biology》上。
本質(zhì)上有兩種方法可以應(yīng)對(duì)大腦連接的脆弱性和稀疏性：同步或振蕩。
在同步模式中，神經(jīng)元在傳遞刺激時(shí)，它們會(huì)同步釋放脈沖。神經(jīng)元共同興奮會(huì)比單個(gè)神經(jīng)元對(duì)下游網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更強(qiáng)的聯(lián)合效應(yīng)。相反，在振蕩模式中，網(wǎng)絡(luò)振蕩會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)接收刺激的下游神經(jīng)元的膜電位來(lái)周期性地提升有效連接。
但是振蕩需要在發(fā)送方和接收方網(wǎng)絡(luò)中同步。
研究合著者、德國(guó)弗萊堡大學(xué)伯恩斯坦中心(BCF)的Ad Aertsen說(shuō)：“至于同步振蕩如何在大腦中發(fā)生，這是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。一段時(shí)間以前，我們提出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的共振特性可用于產(chǎn)生同步振蕩。”
神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的共振意味著當(dāng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)以特定的頻率被刺激時(shí)，網(wǎng)絡(luò)開始振蕩，輸入的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生更大的影響。這種觀點(diǎn)被稱為“通過(guò)共振通信(CTR)”。
然而，CTR帶來(lái)了另外一個(gè)問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)中建立共振需要多個(gè)振蕩周期。此外，這種共振需要在每個(gè)下游階段產(chǎn)生。這意味著跨網(wǎng)絡(luò)的通信速度很慢。
該研究通訊作者、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院（KTH）的Arvind Kumar解釋說(shuō)：“我們認(rèn)為，同步和振蕩分別提供了快速和慢速的通信模式，它們可以用于不同的情況，但我們目前對(duì)這一問(wèn)題仍然保持謹(jǐn)慎。”
加快通信速度的一個(gè)可能方法是減少建立共振所需的時(shí)間。為了達(dá)到這一目的，研究團(tuán)隊(duì)將精力集中于大腦各區(qū)域之間雙向連接的解剖學(xué)觀察，也就是說(shuō)，不僅來(lái)自發(fā)送網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元向接收神經(jīng)元發(fā)送信號(hào)，而且來(lái)自接收網(wǎng)絡(luò)的某些神經(jīng)元也向發(fā)送網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)。
該研究共同通訊作者、伊朗基礎(chǔ)科學(xué)高級(jí)研究所的Alireza Valizadeh解釋說(shuō)：“這種雙向連接很少，但是它們足以支撐發(fā)送網(wǎng)絡(luò)和接收網(wǎng)絡(luò)之間的回路。這種回路的作用是，可以在更少的周期內(nèi)建立共振。更重要的是，該回路能夠放大信號(hào)，無(wú)需在后續(xù)層中建立共振。”
BCF研究項(xiàng)目訪問(wèn)學(xué)生、伊朗贊詹大學(xué)的博士生Hedyeh Rezaei說(shuō)：“值得注意的是，僅在一對(duì)共振的發(fā)送方和接收方網(wǎng)絡(luò)之間建立這樣一個(gè)連接回路，可以將網(wǎng)絡(luò)通信速度至少提高兩倍。”
Ad Aertsen總結(jié)道：“這些新發(fā)現(xiàn)為‘通過(guò)共振通信’理論提供了支持。重要的是，這些結(jié)果表明大腦各區(qū)域之間的雙向連接具有一種新功能，即塑造大腦各區(qū)域之間更快速且更可靠的通信。”
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