树突计算机:当1 + 1 = 3时

人类大脑与神经元 - 860亿美元的巨大连接，在一个广泛的复杂网络中，控制我们如何移动，思考，谈话和记忆。通过多亿个连接点在此网络中交换了重要信息，称为突触。每个神经元都经过这些突触持续轰炸了数千个信号 - 一些重要的和一些不重要的 - 但科学家仍然没有完全理解接收神经元如何提取相关信息。

“这就是所谓的“信噪比”问题，在过去的50年里，这一直是神经科学家们研究的对象，”Bernd Kuhn说，他是冲绳科技研究生院(OIST)光学神经成像部门的负责人。“过去的研究给我们的观点是，每个神经元的功能就像一台单独的电脑，自行决定如何对这些信号作出反应，但要确定用于实现这些计算的确切机制，已经证明是一个真正的技术挑战。”

的一种方法神经元解决信噪比问题的方法是更多地关注同时接收到的信号。神经元以非线性的方式增强同时发出的信号——例如，如果同时收到两个输入信号，神经元可能会像收到三个一样做出反应。

此前，研究人员使用脑组织切片来研究神经元对这些同步信号的反应，但该研究团队表示，这种方法“就像观察冰山的一角”。

然而，在2018年，OIST光学神经影像元件使用双光子电压成像开发了一种强大的新技术，可以揭示神经元的3D结构并以微创的方式检测它们的电活动。

现在，这项技术第一次使研究人员能够在清醒的动物身上解决“信号到噪声”的问题，而不是在大脑组织切片上。他们的研究结果发表在eLife。

“使用敏感性动物提供关于大脑中发生的过程的全新细节，”首次作者，克里斯托弗罗姆博士，光学神经影像学单位的员工科学家克里斯托弗罗姆博士。“当你使用脑切片时，你必须电刺激隔离的神经元 - 所以这些不是现实生活信号。而在活的动物中，你对神经元有数千个天然输入，包括神经元必须过滤的自发信号响应于感觉刺激而产生的，并唤起神经元必须对的感觉刺激产生的信号。所以，您可以开始查看神经元处理和区分这些信号的所有不同方式。“

在这项研究中，研究小组用老鼠来研究一种特定类型的脑细胞，浦肯野神经元，它位于小脑——大脑中负责控制运动的部分。

浦肯野神经元从平行纤维和攀爬纤维接收信号，这是另外两种神经元的轴突。每个浦肯野神经元只与一种攀爬纤维相连，研究人员认为，这种纤维提供了强大的输入，有助于浦肯野神经元学习和改进运动。

另一方面，浦肯野神经元每一个都连接着大约10万根平行的纤维，这些纤维提供了有关身体位置以及动物试图与之互动的任何体外物体的详细信息。

科学家们向一只清醒的老鼠的眼睛喷射少量空气，触发眨眼反射，并导致多种信号被传递到浦肯野神经元。当浦肯野神经元接收到来自平行和攀爬的纤维的信号时，他们监测浦肯野神经元的反应。

OIST研究小组发现浦肯野神经元对吸入空气产生的信号(被称为诱发信号)作出反应的一种方式已经通过树突峰值。这些是电脉冲或动作电位 - 仅在树枝状内部发生。

“通常，我们认为神经元接受输入到树突，然后汇总所有的信号。如果达到某个阈值，就会产生动作电位，并沿轴突传递下去。”库恩教授解释道。“但实际情况比这要复杂一点——如果信号足够强，动作电位也可以在树突中发生，并停留在树突的那个区域。”

以前的研究表明，来自攀爬纤维的个体强大信号可以诱导这些树突尖峰，但这是研究人员第一次看到普林杰神经元同时接受来自多个平行纤维的诱发信号时发生的局部树突尖峰。

相比之下，当Purkinje神经元随机接受自发信号时，研究人员很少发生树突状尖峰，显示神经元使用树突尖峰来区分来自噪声的真实信号。

目前还不清楚树突刺的影响是什么，但研究人员认为，它可能会在局部层面改变浦肯野神经元。“一种可能性是，它可能会改变该区域突触的强度，而不影响该神经元的其他突触，”鲁姆博士说。“这很重要，因为它意味着神经元的计算能力显著增强，因为树突的不同部分可以独立执行这些计算。”

单个突触强度的变化被认为是学习的重要机制，因为这种影响是长期的，而不是短期的动作电位。

接下来，研究小组将深入研究对同步信号作出反应的机制是否有助于记忆和学习。

“总的来说，我们希望我们的工作有助于揭示神经元德德纳的基本规则，这可能具有深远的影响，”库恩教授说。“了解大脑的工作方式如何有助于创造更好的计算机并提高人工智能。树突内加工也在许多神经系统疾病中起作用，如癫痫和自闭症，所以这项工作最终可能有助于理解和治疗这些疾病。”

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