《PNAS》大脑接线图中的秘密结构

在大脑中，我们的知觉来自神经元之间复杂的相互作用，这些神经元通过突触连接在一起。但是某些类型的神经元之间的连接数量和强度是不同的。来自波恩大学医院(UKB)、美因茨大学医学中心和路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学(LMU)的研究人员，以及来自法兰克福马克斯-普朗克大脑研究所的研究团队现在已经发现，看似不规则的神经元连接强度的结构包含一个隐藏的顺序。这对神经网络的稳定性至关重要。这项研究已经发表在《美国国家科学院院刊》上。

　　

在大脑中，我们的知觉来自神经元之间复杂的相互作用，这些神经元通过突触连接在一起。但是某些类型的神经元之间的连接数量和强度是不同的。来自波恩大学医院(UKB)、美因茨大学医学中心和路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学(LMU)的研究人员，以及来自法兰克福马克斯-普朗克大脑研究所的研究团队，现在已经发现，看似不规则的神经元连接强度的结构包含一个隐藏的顺序。这对神经网络的稳定性至关重要。这项研究已经发表在《PNAS》上。

十年前，连接组学（connectomics），即绘制大脑中大约860亿个神经元之间的连接图，被宣布为未来科学的里程碑。这是因为在复杂的神经元网络中，神经元之间是由数千个突触连接的。在这里，个体神经元之间的连接强度很重要，因为它对学习和认知表现至关重要。“然而，每个突触都是独特的，它的强度会随着时间的推移而变化。即使是在同一大脑区域测量同一类型突触的实验也得出了不同的突触强度值。然而，这种实验观察到的变异性使我们很难找到神经网络健壮功能的基本原理，”Tatjana Tchumatchenko教授说，他是英国皇家大学实验癫痫学和认知研究研究所和美因茨大学医学中心生理化学研究所的研究小组负责人，解释了进行这项研究的动机。

数学和实验室有目的地结合起来

在初级视觉皮层(V1)中，眼睛通过丘脑(间脑感觉印象的切换点)传递的视觉刺激首次被记录下来。研究人员仔细观察了在这一过程中活跃的神经元之间的联系。为了做到这一点，研究人员通过实验测量了小鼠模型中两类神经元对不同视觉刺激的联合反应。同时，他们用数学模型来预测突触连接的强度。为了解释他们在实验室记录的初级视觉皮层中这种网络连接的活动，他们使用了所谓的“稳定超线性网络”(SSN)。“这是为数不多的非线性数学模型之一，提供了将理论模拟的活动与实际观察到的活动进行比较的独特可能性，”LMU神经生物学研究小组负责人Laura Busse教授说。“我们能够证明，将SSN与小鼠丘脑和皮层中视觉反应的实验记录结合起来，使我们能够确定导致视觉皮层中记录的视觉反应的不同的连接强度集。”

连接强度之间的顺序是关键

研究人员发现，在观察到的突触强度变化背后是有顺序的。例如，兴奋性神经元到抑制性神经元的连接总是最强的，而视觉皮层的反向连接则较弱。这是因为在建模过程中突触强度的绝对值是变化的——正如他们在早期的实验研究中所做的那样——但始终保持一定的顺序。因此，相对比率对于测量活动的过程和强度是至关重要的，而不是绝对值。LMU神经生物学的Simon Renner博士说:“对突触连接的早期直接测量的分析显示，突触强度的顺序与我们仅基于测量的神经元反应的模型预测相同，这是值得注意的。”他对皮层和丘脑活动的实验记录允许描述皮层神经元之间的连接。“我们的研究结果表明，神经元活动包含了大量关于神经元网络底层结构的信息，而这些信息无法从直接测量突触强度中立即显现出来。因此，我们的方法为难以通过实验获得的网络结构的研究开辟了一个有前途的前景，”来自英国科学学院实验癫痫学和认知研究研究所和法兰克福马克斯·普朗克大脑研究所的Nataliya Kraynyukova博士解释说。这项研究是Busse教授和Tchumatchenko教授实验室跨学科合作的结果，他们紧密合作，建立在他们实验室的计算和实验专业知识的基础上。

In vivo extracellular recordings of thalamic and cortical visual responses reveal V1 connectivity rules