科学家们已经确定了人类大脑中发生的一种独特的细胞信息传递形式,揭示了我们对其神秘的内部运作还有多少需要了解。

令人兴奋的是,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。

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早在2020年,来自德国和希腊研究所的研究人员就报告了大脑外皮层细胞中的一种机制,这种机制可以自己产生一种新的“分级”信号,这种信号可以为单个神经元提供另一种执行其逻辑功能的方式。

通过测量癫痫患者手术中切除的组织切片的电活动,并使用荧光显微镜分析其结构,神经学家发现皮层中的单个细胞不仅使用通常的钠离子“放电”,还使用钙离子“放电”。

这种带正电荷离子的结合引发了以前从未见过的电压波,被称为“钙介导的树突动作电位(dCaAP)”。

大脑 —— 尤其是人类的大脑 —— 经常被比作计算机。这种类比有其局限性,但在某些层面上,它们以相似的方式执行任务。

两者都使用电压的功率来执行各种操作。在计算机中,它的形式是电子通过称为晶体管的交叉口的相当简单的流动。

神经元中,信号以开关通道的波的形式存在,这些通道交换带电粒子,如钠、氯和钾。这种流动离子的脉冲被称为“动作电位”。

晶体管不同,神经元在树突末端用化学方法处理这些信息。

2020年1月,洪堡大学神经科学家马修·拉库姆(Matthew Larkum)在美国科学促进会上表示:“树突是理解大脑的核心,因为它们是决定单个神经元计算能力的核心。”

树突是我们神经系统的红绿灯。如果动作电位足够大,它可以传递到其他神经,这些神经可以阻止或传递信息。

这是我们大脑的逻辑基础 —— 电压波纹可以以两种形式集体传递:要么是AND信息(如果x和y被触发,信息被传递);或OR消息(如果触发x或y,则传递该消息)。

可以说,没有任何地方比人类中枢神经系统密集、皱纹的外层(大脑皮层)更加复杂。更深层的第二层和第三层特别厚,布满了执行我们与感觉、思维和运动控制联系在一起的高级功能的分支。

研究人员仔细观察了这些层的组织,将细胞连接到一种叫做“体树突膜片钳”的设备上,在每个神经元上下发送活动电位,记录它们的信号。

马修·拉库姆说:“当我们第一次看到树突动作电位时,我们感到非常兴奋。”

为了确保任何发现不是癫痫患者独有的,他们从脑肿瘤中提取了少量样本,再次检查了结果。

虽然研究小组在老鼠身上进行了类似的实验,但他们在人类细胞中观察到的嗡嗡声信号种类非常不同。

更重要的是,当他们给细胞注射一种叫做河豚毒素的钠通道阻滞剂时,他们仍然发现了信号。只有通过阻断钙,一切才归于平静。

发现钙介导的动作电位已经足够有趣了。但是,对这种敏感的新信号在皮层中的工作方式进行建模又揭示了一个惊喜。

除了逻辑与和或类型的功能,这些单独的神经元可以作为“异或”或(XOR)交叉点,只有当另一个信号以特定方式分级时,才允许另一个信号。

“传统上,异或运算被认为需要一种网络解决方案,”研究人员写道。

要了解 dCaAP 在整个神经元和活系统中的行为,还需要做更多的工作。更不用说这是否是人类的事情,或者如果动物王国的其他地方也进化了类似的机制。

科技也在从我们自己的神经系统中寻找灵感,以开发更好的硬件;知道我们自己的单个细胞还有更多的诀窍,可能会导致网络晶体管的新方法。

这种新的逻辑工具究竟是如何被压缩到单个神经细胞中转化为更高的功能的,这是未来研究人员需要回答的问题。

这项研究发表在《科学》杂志上。

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