在未成熟的大脑中惊人的网络活动
大脑皮层的一个突出的谜团是单个神经元如何发展适当的突触连接来形成大规模的分布式网络。现在，一个由来自歌德大学和FIAS的研究人员组成的国际科学家团队已经从早期发育的视觉皮层中局部网络自发产生的活动模式中获得了新的见解。显然，这些构成了在皮层发育过程中通过大脑活动建立的远程神经连接的基础。
现在，出版于自然神经科学美国马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所、法兰克福高级研究所、法兰克福歌德大学和明尼苏达大学的科学家们调查了这一现象视觉皮层对雪貂来说，是探索早期网络发展的理想模型系统皮质。这些神经元由数千个神经元组成，分布在皮层表面数毫米的范围内。在视觉皮层中，网络活动编码视觉场景的特定特征，如边缘的方向和物体运动的方向。
通过使用钙成像技术，科学家们能够以前所未有的分辨率可视化自发活动模式，即不是由视觉输入产生的模式。令他们惊讶的是，自发活动模式在距离较远的神经元群之间是高度相关的——事实上，它们是如此高度相关，以至于一小群神经元的活动可以可靠地预测几毫米外的一致网络活动模式，而这些相关模式完美地预测了视觉刺激引起的网络活动模式。
在他们的下一步，研究人员利用这种自发的和视觉唤起的网络模式的显著对应来发现网络的相互作用是如何在未成熟的大脑中发展起来的。通过观察睁眼前自发活动模式的状态，他们期望看到自发活动模式的显著差异，因为被认为是分布式网络活动模式基础的远距离皮层连接在未成熟的皮层中缺失。令他们惊讶的是，他们发现了在睁眼之前相关的自发活动的强大的长期模式，并发现它们延伸的距离与在成熟的大脑中所看到的相当。
面对这一悖论，研究人员首先考虑了相关的活动模式是否可以通过局部皮层连接链传播，类似于森林火灾。为了测试这种有趣的可能性，歌德大学计算机科学教授、法兰克福高级研究所(FIAS)研究员Matthias Kaschube和他的博士生Bettina Hein建立了一个早期视觉皮层神经回路的计算模型。他们发现，通过使用一组与局部皮层连接组织一致的参数，该模型可以精确地再现他们在实验中观察到的自发远程关联模式，而无需远程连接。
综上所述，这些结果表明，在早期发育的皮层中，远程秩序源于由短程连接驱动的神经活动。换句话说，本地连接构建了一个网络活动脚手架。根据广为接受的可塑性法则“一起激发的东西会连接在一起”，由局部连接介导的活动可以指导随后形成的远程网络连接。用一句常说的“全局思考，局部行动”来解释，正在发育的大脑皮层回路在局部行动，以实现全球效应。未来的研究将基于来自局部皮层连接的指导性活动模式来验证活动依赖的可塑性机制塑造远程连接结构的预测。
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