大脑要比原来预想的活跃10倍,计算能力是原先预想的100倍

科学家近日发现，大脑要比我们原来预想的活跃10倍。在这项对神经元树突的新研究中，科学家发现树突并不是以往认为的被动传递通道，而是在动物运动时具有活跃的电活动。由于树突在体积上比神经元中心大将近100倍，这一结果不仅意味着大脑具有的计算能力可能是原先预想的100倍，而且或许能为未来“似大脑计算机”的开发铺平道路。


　　在这项研究中，来自加州大学洛杉矶分校的研究者对神经元树突的结构和功能进行了分析。树突是从神经元细胞体发出的分支状结构。为了进行交流，神经元细胞体会产生短暂的电脉冲，此前的研究认为，树突的活跃正是受到这些电脉冲的刺激，它们也被动地将电流传递给其他细胞体。


　　然而，新研究发现情况并非如此。研究者发现，自由活动动物的大脑中，树突具有电活性，并且能产生比细胞体多10倍的电脉冲。“神经组织的90%以上由树突组成，”论文主要作者、加州大学洛杉矶分校的神经生理学家马扬克·梅塔（Mayank Mehta）说，“它们比细胞体更活跃，这从根本上改变了我们对大脑计算信息方式的认知。另一方面，这可能为了解和治疗神经性失调，以及开发似大脑计算机提供帮助。”


　　研究者表示，树突其实是一种杂合体，能同时进行模拟计算和数字计算。这意味着它们与纯粹的数字计算机有着根本性的不同，而是类似于模拟量子计算机。“神经科学中一个基础的观点是，神经元其实是数字设备，它们产生或不产生电脉冲，”马扬克·梅塔解释道，“这些结果显示，树突并没有完全像一台数字设备。树突确实会产生数字化、全或无的电脉冲，但它们也会出现较大的，不是全或无的模拟波动。这一结果与神经科学家60年来相信的观点有着巨大分歧。”


　　树突在体积上比神经元中心大100倍，这意味着它们能产生非常大量的电脉冲，也暗示大脑拥有的计算能力比科学家原先认为的强100倍。尽管其他研究者已经发现树突能产生电脉冲，但他们并不确定这一过程是否会发生在自然行为中，以及发生的频率如何。


　　为了找到这些问题的答案，研究者对大鼠神经元树突的活动进行了长达4天的测量。这些大鼠可以在一个巨大的迷宫内自由活动。研究者观察了大鼠后顶叶皮层的活动情况，该区域在动作的组织中发挥着关键作用。结果显示，该区域树突的电活性远高于细胞体。


　　在大鼠睡眠期间，树突产生的电脉冲约为细胞体的5倍；而在大鼠探索迷宫的过程中，这一数字上升到了10倍。“此前许多模型都假设学习行为发生在两个神经元的细胞体同时活跃的时候，”论文第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后研究人员贾森·摩尔（Jason Moore）说，“我们的发现显示，学习可能发生在输入神经元与树突同时活跃的时候——而且树突的不同部位可能在不同的时刻活动，这意味着学习行为在单个神经元内部发生时可能具有更多的灵活性。”


　　由于技术上存在的困难，对大脑功能的研究更多地是关注细胞体。研究人员表示，这项研究将改变我们对大脑工作方式的认识：大脑的所有决定并不仅仅来自神经元细胞体。“我们的结果显示，树突做出决定的情况要比细胞体频繁得多，而且这种计算并不仅仅是数字化的，也可以是模拟的，”马扬克·梅塔说道。（任天）

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