《自然—神经科学》：多样性有助神经元更好处理信息

邓文龙

《自然—神经科学》：多样性有助神经元更好处理信息


发布时间：2010-9-2 9:40:03


《自然—神经科学》：多样性有助神经元更好处理信息


世上没有两片完全相同的叶子，神经元亦是如此。不过，神经元的不同可不是指其大小与形状的不同，而是指它们在刺激反应下的不同表现。美国卡内基•梅隆大学的科学家们近日首次发现神经元多样性在大脑的综合机能中起着关键作用，在神经元处理复杂刺激和编码信息中也有着非常重要的地位。这一结果在线发表于《自然—神经科学》。

人脑大约有1000亿个神经元，而这1000亿个神经元又可以分为很多不同的类别。同一类别的神经元结构相似，作为一个群体完成同一件总体任务，每个单一神经元都对单一刺激的微妙差异作出响应。通常生物学家认为这种多样性是一种“生物学缺陷”，而简单地通过计算平均值得到实验结果。

在最新的研究中，科学家们在僧帽细胞（mitral cells）中植入电探针并施加一种由计算机监控的复合噪声刺激，结果发现在被测细胞中，每个神经元的反应都不完全一样。接着科学家们提出一个疑问：神经元是在单一刺激下胡乱给出一个反应信息，还是每个神经元分别给出刺激信息的不同部分？

为了验证这个假想，科学家采用一种棘波触发平均技术（spike-triggered averaging），该技术能让科学家确定何种刺激能让单个神经元作出反应。通过实验他们发现，有些神经元针对快速刺激变化作出反应，而有的对慢速刺激变化有反应；还有些神经元在刺激信号有节奏、有规律的时候才作出反应。科学家将混合了不同种类的神经元组的数据进行计算，并比较同类神经元组的数据后发现：种类混合的神经元组的刺激反应信息量是同类神经元组的两倍。

“多样性是一种内在的优点”，主持该项研究的Nathan N. Urban称，“一个群体，只有在群内成员发挥自己所长，分工协作的时候，才能具有更高的效率，达到更好的效果。就像一支篮球队伍一样——你想赢得比赛，总不能派九个投手上场吧”。

科学家相信，除了在信息编码中起作用以外，在癫痫、帕金森氏症、精神分裂症等神经障碍病症中，神经元多样性也扮演着重要的角色。病发时，神经元放电的同步协调和节律会发生错乱。比如，当神经元同时放电，会导致癫痫患者和帕金森氏症患者病情发作。而在特定环境下，比如完成需要注意力集中的任务，对于精神分裂症患者而言，他们的神经元协调放电的能力会下降。总之，多样性的变化能影响到神经元是否能顺利进行节律性放电。（科学网 张笑/编译）

相关仪器：VT1000S自动组织振动切片机  Multiclamp 700A微电极放大器

完成人：纳撒尼尔•厄本课题组

实验室：美国卡内基·梅隆大学生物科学系  匹兹堡大学神经科学系  美国认知神经基础研究中心