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多樣性有助神經元更好處理信息

日期:2010-09-03 15:56:56

世上沒有兩片完全相同的葉子,神經元亦是如此。不過,神經元的不同可不是指其大小與形狀的不同,而是指它們在刺激反應下的不同表現。美國卡內基•梅隆大學的科學家們近日首次發現神經元多樣性在大腦的綜合機能中起著關鍵作用,在神經元處理復雜刺激和編碼信息中也有著非常重要的地位。這一結果在線發表于《自然—神經科學》。
 
人腦大約有1000億個神經元,而這1000億個神經元又可以分為很多不同的類別。同一類別的神經元結構相似,作為一個群體完成同一件總體任務,每個單一神經元都對單一刺激的微妙差異作出響應。通常生物學家認為這種多樣性是一種“生物學缺陷”,而簡單地通過計算平均值得到實驗結果。
 
在最新的研究中,科學家們在僧帽細胞(mitral cells)中植入電探針并施加一種由計算機監控的復合噪聲刺激,結果發現在被測細胞中,每個神經元的反應都不完全一樣。接著科學家們提出一個疑問:神經元是在單一刺激下胡亂給出一個反應信息,還是每個神經元分別給出刺激信息的不同部分?
 
為了驗證這個假想,科學家采用一種棘波觸發平均技術(spike-triggered averaging),該技術能讓科學家確定何種刺激能讓單個神經元作出反應。通過實驗他們發現,有些神經元針對快速刺激變化作出反應,而有的對慢速刺激變化有反應;還有些神經元在刺激信號有節奏、有規律的時候才作出反應。科學家將混合了不同種類的神經元組的數據進行計算,并比較同類神經元組的數據后發現:種類混合的神經元組的刺激反應信息量是同類神經元組的兩倍。
 
“多樣性是一種內在的優點”,主持該項研究的Nathan N. Urban稱,“一個群體,只有在群內成員發揮自己所長,分工協作的時候,才能具有更高的效率,達到更好的效果。就像一支籃球隊伍一樣——你想贏得比賽,總不能派九個投手上場吧”。
 
科學家相信,除了在信息編碼中起作用以外,在癲癇、帕金森氏癥、精神分裂癥等神經障礙病癥中,神經元多樣性也扮演著重要的角色。病發時,神經元放電的同步協調和節律會發生錯亂。比如,當神經元同時放電,會導致癲癇患者和帕金森氏癥患者病情發作。而在特定環境下,比如完成需要注意力集中的任務,對于精神分裂癥患者而言,他們的神經元協調放電的能力會下降。總之,多樣性的變化能影響到神經元是否能順利進行節律性放電。

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