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不同的大脑,同样的思维(图)
【字体: 大 中 小 】 时间:2007年02月06日 来源:生物通
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生物通报道:Max Planck研究人员研制出一种方法,可以根据大脑网络自身的动力学识别大脑网络接线图。
生物通报道:Max Planck研究人员研制出一种方法,可以根据大脑网络自身的动力学识别大脑网络接线图。
尽管没有两个大脑是一模一样的,但是面对相似的感觉输入(sensory input),却显示出的神经活动方式相差无几。Max Planck研究所动力和自我组装部(Dynamics and Self-Organization)的研究人员研制出一种数学模型,可以设计出具有特定动力模型的神经细胞组成的网络。这种模型有助于寻找在进化过程中具有优势的网络结构。文章刊登于06年11月3日《Physical Review Letters》。
大脑神经细胞相互连接形成一个复杂的网络。神经细胞传递电冲动——如同莫尔斯密码——到其它脑细胞,完成所有的脑部活动。这种过程依赖于脑神经活动(neuronal activity)的精确的动力学。当大脑收到感觉输入、计算或者记忆时,它会将信息密码加工成为一系列神经冲动,再传递到不同的神经细胞中。尽管没有两个人有相似的大脑,但人类可以拥有相似的思维,因此,某种程度上说神经活动动力学也只能是依赖神经网络结构。对于比人类大脑简单的多的网络,这种观点依然适用:不同的结构可以发挥相似的功能。Raoul-Martin Memmesheimer 和Marc Timme研制出一种数学模型,可以测出拥有相似动力学的所有网络。利用这个模型,研究小组研究神经元网络结构和功能之间的相关性。
图:不同的神经网络可以具有相似的活动模型——如图中所示的16个神经元组成的网络。同样,人类大脑回路中神经元结构因人而异,但同一时间可以展现出相似的动力学和相似的功能。在理论模型的帮助下,研究人员现在可以推断组成神经动力学的所有可能结构。
科学研究最常用的一种方法是从系统的结构推测系统的功能。Memmesheimer 和Timme反其道而行之,“对于一些简单的网络,我们知道活动动力学,这是它们的功能,但不知道它们的精确结构。任何既定的动力学可由不同的网络产生。我们发明出一种模型,可以计算出这些多样性。” 运行这种程序会涉及到许多未知的数量,因此要求很高的计算能力。即便在一个有1000个神经元的网络中(各神经元相互作用),任何两个神经元之间的联系有上万种可能,而且拥有数量无法估计的可能的网络。每种联合对于下游神经元都有激活或抑制效果,另外也会随着强度和反应时间的不同而不同。一个既定动力学的所有可能网络类似一个多维空间里的复杂结构,其中,每一个点都标志了一个特定动力学网络的特征。Memmesheimer 和Timme目前已经为这种结构进行了精确描述。
研究人员在具体问题上检测了这种模型的可行性。他们总结出产生一个既定动力学的所有可能网络,同时对更深层的条件进行实践:网络的结构应该尽可能简单,也就是说连接的数量和形成突触的强度都应该尽可能地小。“应用到真实的网络,一个例子是分析进化过程中功能最优的结构法则。”一些产生重复模式(如昆虫的行走模式)的简单网络的动力学已经被研究透彻,进化压力保持了这种网络结构复杂性到最小,是否有其它结构更简单的网络会产生相似的动力?可能有更多的网络履行相似的功能,结构条件可能进化?这些问题还没有明确的答案,然而在这种新模式的帮助下,我们相信揭开谜底之日为期不远。(生物通记者 小粥)