大脑接线图中的秘密结构

在大脑中，我们的感知来自通过突触连接的神经元的复杂相互作用。但是某些类型的神经元之间连接的数量和强度可能会有所不同。来自波恩大学医院 (UKB)、美因茨大学医学中心和慕尼黑路德维希马克西米利安大学 (LMU) 的研究人员，以及来自法兰克福马克斯普朗克脑研究所的研究小组，作为计算优先计划的一部分Connectomics (SPP2041) 现在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。这对于神经元网络的稳定性至关重要。该研究现已发表在PNAS杂志上。

十年前，连接组学，即创建大脑中大约 860 亿个神经元之间的连接图，被宣布为未来的科学里程碑。这是因为在复杂的神经网络中，神经元通过数千个突触相互连接。在这里，单个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，每个突触都是独一无二的，它的强度会随着时间而变化。即使是在同脑区域测量相同类型突触的实验也会产生不同的突触强度值。然而，这种实验观察到的变异性使得很难找到潜在的一般原则神经元网络的强大功能，”Tatjana Tchutchenko 教授说，他是 UKB 实验癫痫学和认知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，他解释了进行这项研究的动机.

数学和实验室有目的地结合

在初级视觉皮层 (V1) 中，首先记录眼睛通过丘脑传递的视觉，丘脑是间脑中感觉印象的切换点。研究人员仔细研究了在这个过程中活跃的神经元之间的联系。为此，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的联合反应。同时，他们使用数学模型来预测突触连接的强度。为了解释他们在初级视觉皮层中这种网络连接的实验室记录活动，他们使用了所谓的“稳定超线性网络”(SSN)。

LMU 神经生物学研究小组组长 Laura Busse 教授说：“它是为数不多的非线性数学模型之一，它提供了将理论上模拟的活动与实际观察到的活动进行比较的独特可能性。”“我们能够证明，将 SSN 与小鼠丘脑和皮层视觉反应的实验记录相结合，使我们能够确定导致视觉皮层记录视觉反应的不同连接强度集。”

连接强度之间的顺序是关键

研究人员发现，观察到的突触强度变异背后有一个顺序。例如，从兴奋性神经元到抑制性神经元的连接总是最强的，而视觉皮层中的反向连接则较弱。这是因为突触强度的绝对值在建模中有所不同——就像它们在早期的实验研究中一样——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至关重要，而不是绝对值。

“值得注意的是，对突触连接的早期直接测量的分析揭示了与我们仅基于测量的神经元反应的模型预测相同顺序的突触强度，”LMU 神经生物学的 Simon Renner 博士说，他对皮质的实验记录和 丘脑 活动 允许 表征皮质 神经元之间 的 连接.

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