Nature:树突具有主动信息处理能力

来源:生物360 / 作者:koo / 2013-10-28
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Nature:树突也具有执行计算的功能

树突,神经元的树枝状突起,曾一度被人们认为只是大脑中的被动接线。

现在,来自伦敦大学学院与北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家首次证实:树突所做的不仅仅是将信息从一个神经元传递给另一个,它们还积极地处理信息,扩大了大脑的计算能力。研究人员表示,大脑的处理能力仿佛一下子比原来认为的要大了很多。

这项刊登在《自然》(Nature)杂志的新发现有可能改变科学家们思考长期存在的、大脑中神经回路功能机制科学模型的方式,并帮助研究人员更好地理解神经系统疾病。

研究人员表示,想象一下,你正在逆向操控一种外来技术,你本以为只是简单的接线,结果发现它是计算信息的晶体管。新研究发现就是这样。其意义想想都是激动人心的。”

轴突是神经元通常产生电尖峰脉冲的结构,而有许多支持轴突尖峰脉冲的分子也存在于树突中。以往的研究曾用解剖脑组织证实了树突可以利用这些分子来自身产生尖峰脉冲,但却并不清楚正常的大脑活动是否与这些树突尖峰脉冲有关。例如,树突尖峰脉冲是否影响了我们如何看待事物?

而这项研究给出的答案是肯定的。树突有效地发挥微型神经计算机(Mini-Neural Computer)作用,积极地处理了神经元输入信号。

直接证明这一点花费了数年的时间,经历了一系列复杂的实验,研究人员利用膜片钳电生理学将一个装满生理溶液的显微玻璃吸管电极,与小鼠大脑中的一个神经元树突连接起来。起初的想法是直接“听取”电信号转导过程。

研究人员表示,将吸管与一个树突连接起来,在技术上是一个巨大的挑战。你不能从任何方向接近树突,你也看不到树突。因此你不得不摸索着做这件事。这就像钓鱼,你能看见的也就是鱼的电踪迹。并且你不能使用鱼饵。你所能做的就是尽力去找到它,看看你是否能够偶然碰到树突。但大部分时间你都不能做到。

此后,科学家转而建立了双光子显微镜系统,使得事情变得较为容易。

在这一吸管连接上树突之后,研究人员获取了麻醉和清醒小鼠大脑内个别树突的电记录。研究人员发现当小鼠看到一台计算机屏幕上的视觉刺激时,树突中有一种不同寻常的电信号模式。

研究人员随后证实,这种树突电脉冲依赖于视觉刺激选择性发生,表明树突处理了动物正看到的事物的信息。

为了提供研究发现的视觉证据,研究人员用钙染料填充神经元,提供了尖峰脉冲的光学读值。结果显示树突发射了尖峰脉冲,而神经元的其他部分则没有,表明这些尖峰脉冲是树突内局部处理信息的结果。

此后,科学家构建出了一个神经元生物物理、数学模型,发现了一些已知的机制有可能支持了电记录的树突尖峰脉冲,进一步验证了对这一数据的解读。

研究人员指出,所有的数据都指向了同样的结果。树突不是感觉驱动输入信号的被动整合器;它们似乎还是一个计算部件。科学家计划进一步深入探讨这一新发现的树突功能有可能在大脑回路,尤其是在 Timothy 综合征这样的树突信号整合出错的疾病中发挥何种作用。

原文检索:

Spencer L. Smith, Ikuko T. Smith, Tiago Branco, Michael Häusser. Dendritic spikes enhance stimulus selectivity in cortical neurons in vivo. Nature, 2013; DOI:10.1038/nature12600

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4个月前

不知道基因表达中是否存在这种情况?如果有,那其怪异行为似乎就合理了。

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4年前

对任何模型都注意不要过分简化。那些之前被人们简化了的模型就成了现在生物学的空白领域,值得挖掘。

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换一换

这题目取得,直接说让人类灭亡得了

是不是要多吃酸奶,使肠道菌群合理

中国是个14亿人口的大国,也是患癌大国,然而投入治癌药的科研确少的可怜,希望国家多点资金鼓励正在研发抗癌药的科学家,少买美债。

Palermo这个人害惨世界上很多人

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