大腦或比原預想活躍10倍：為「似大腦計算機」提供幫助

科技 03-16

老鼠也會笑？

科學家使小鼠咯咯笑

大腦或比原預想活躍10倍：為「似大腦計算機」提供幫助

在這項對神經元樹突的新研究中，科學家發現樹突並不是以往認為的被動傳遞通道，而是在動物運動時具有活躍的電活動。

大腦或比原預想活躍10倍：為「似大腦計算機」提供幫助

由於樹突在體積上比神經元中心大將近100倍，這一結果不僅意味著大腦具有的計算能力可能是原先預想的100倍，而且為未來「似大腦計算機」的開發鋪平了道路。

科學家近日發現，大腦要比我們原來預想的活躍10倍。在這項對神經元樹突的新研究中，科學家發現樹突並不是以往認為的被動傳遞通道，而是在動物運動時具有活躍的電活動。由於樹突在體積上比神經元中心大將近100倍，這一結果不僅意味著大腦具有的計算能力可能是原先預想的100倍，而且或許能為未來「似大腦計算機」的開發鋪平道路。

在這項研究中，來自加州大學洛杉磯分校的研究者對神經元樹突的結構和功能進行了分析。樹突是從神經元細胞體發出的分支狀結構。為了進行交流，神經元細胞體會產生短暫的電脈衝，此前的研究認為，樹突的活躍正是受到這些電脈衝的刺激，它們也被動地將電流傳遞給其他細胞體。

然而，新研究發現情況並非如此。研究者發現，自由活動動物的大腦中，樹突具有電活性，並且能產生比細胞體多10倍的電脈衝。「神經組織的90%以上由樹突組成，」論文主要作者、加州大學洛杉磯分校的神經生理學家馬揚克·梅塔（Mayank Mehta）說，「它們比細胞體更活躍，這從根本上改變了我們對大腦計算信息方式的認知。另一方面，這可能為了解和治療神經性失調，以及開發似大腦計算機提供幫助。」

研究者表示，樹突其實是一種雜合體，能同時進行模擬計算和數字計算。這意味著它們與純粹的數字計算機有著根本性的不同，而是類似於模擬量子計算機。「神經科學中一個基礎的觀點是，神經元其實是數字設備，它們產生或不產生電脈衝，」馬揚克·梅塔解釋道，「這些結果顯示，樹突並沒有完全像一台數字設備。樹突確實會產生數字化、全或無的電脈衝，但它們也會出現較大的，不是全或無的模擬波動。這一結果與神經科學家60年來相信的觀點有著巨大分歧。」

樹突在體積上比神經元中心大100倍，這意味著它們能產生非常大量的電脈衝，也暗示大腦擁有的計算能力比科學家原先認為的強100倍。儘管其他研究者已經發現樹突能產生電脈衝，但他們並不確定這一過程是否會發生在自然行為中，以及發生的頻率如何。

為了找到這些問題的答案，研究者對大鼠神經元樹突的活動進行了長達4天的測量。這些大鼠可以在一個巨大的迷宮內自由活動。研究者觀察了大鼠後頂葉皮層的活動情況，該區域在動作的組織中發揮著關鍵作用。結果顯示，該區域樹突的電活性遠高於細胞體。

在大鼠睡眠期間，樹突產生的電脈衝約為細胞體的5倍；而在大鼠探索迷宮的過程中，這一數字上升到了10倍。「此前許多模型都假設學習行為發生在兩個神經元的細胞體同時活躍的時候，」論文第一作者、加州大學洛杉磯分校博士後研究人員賈森·摩爾（Jason Moore）說，「我們的發現顯示，學習可能發生在輸入神經元與樹突同時活躍的時候——而且樹突的不同部位可能在不同的時刻活動，這意味著學習行為在單個神經元內部發生時可能具有更多的靈活性。」

由於技術上存在的困難，對大腦功能的研究更多地是關注細胞體。研究人員表示，這項研究將改變我們對大腦工作方式的認識：大腦的所有決定並不僅僅來自神經元細胞體。「我們的結果顯示，樹突做出決定的情況要比細胞體頻繁得多，而且這種計算並不僅僅是數字化的，也可以是模擬的，」馬揚克·梅塔說道。（任天）

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