麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，被稱為樹突的神經(jīng)延伸體在神經(jīng)計(jì)算中發(fā)揮著比以前想象的更積極的作用，樹突起著類似天線的作用，幫助神經(jīng)元監(jiān)聽鄰近神經(jīng)元發(fā)出的指令。圖片： Lou Beauliu-Laroche

　　當(dāng)特定神經(jīng)元的胞體活動(dòng)時(shí)，該神經(jīng)元的樹突也是激活的，即使當(dāng)動(dòng)物并非執(zhí)行認(rèn)知要求高的任務(wù)時(shí)也是如此。

　　大多數(shù)神經(jīng)元有許多分支延伸稱為樹突，接受輸入數(shù)以千計(jì)的其他神經(jīng)元發(fā)出的“指令”。然而，樹突不僅僅是被動(dòng)的信息轉(zhuǎn)運(yùn)體。根據(jù) MIT 的一項(xiàng)新研究，它們似乎在將傳入信號(hào)轉(zhuǎn)化為電活動(dòng)的方面發(fā)揮了驚人的巨大作用。

　　神經(jīng)科學(xué)家此前曾懷疑，樹突可能很少活躍，僅僅在特定情況下。但麻省理工學(xué)院的研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)神經(jīng)元的主細(xì)胞體活躍時(shí)，樹突幾乎總是活躍的。

　　"看起來(lái)樹突棘是我們大腦中神經(jīng)元如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算處理信息的內(nèi)在屬性。 這種情況并不是罕見的事件，"Lou Beaulieu-Laroche 說(shuō)，他是麻省理工學(xué)院的研究生，也是該論文的主要作者。 "我們所觀測(cè)的神經(jīng)元都有樹枝狀的棘，而且樹枝狀的棘分布很多。"

　　McGovern 大腦研究所的成員、Fred 與 Carole Middleton 大腦與認(rèn)知科學(xué)職業(yè)發(fā)展助理教授，Mark Harnett 說(shuō)，研究結(jié)果表明，樹突在大腦計(jì)算處理信息能力中的作用比以前想象的要大得多。

　　他說(shuō)："該研究結(jié)果與一直以來(lái)對(duì)這一問題的看法完全不同。" "這證明樹突積極參與了神經(jīng)元輸出的產(chǎn)生和塑造。"

　　研究生 Enrique Toloza 和技術(shù)助理 Norma Brown 也是該論文的作者，該論文將于 6 月 6 日在 Neuron 上發(fā)表。

　　“遙遠(yuǎn)的天線”

　　樹突接受來(lái)自許多其他神經(jīng)元的輸入，并將這些信號(hào)傳遞到細(xì)胞體，也稱為胞體。 如果受到足夠的刺激，神經(jīng)元就會(huì)激發(fā)動(dòng)作電位——一種傳播到其他神經(jīng)元的電脈沖。 這些神經(jīng)元的大型網(wǎng)絡(luò)彼此通信以執(zhí)行復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)，例如產(chǎn)生語(yǔ)音。

　　通過(guò)成像和電生理記錄，神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)了解了大腦皮質(zhì)不同類型神經(jīng)元之間的解剖和功能差異，但對(duì)它們?nèi)绾握蠘渫惠斎耄Q定是否激發(fā)動(dòng)作電位知之甚少。 樹突賦予神經(jīng)元特有的分枝樹形狀，"樹突"的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)胞體的大小。

　　Harnett 說(shuō)："這是一個(gè)巨大的、遙遠(yuǎn)的天線，它能‘聽到’數(shù)以千計(jì)的突觸輸入信號(hào)，這些信號(hào)分布在網(wǎng)絡(luò)中其他神經(jīng)元的分支結(jié)構(gòu)上。"

　　一些神經(jīng)科學(xué)家假設(shè)樹突很少活動(dòng)，而另一些人則認(rèn)為樹突可能在神經(jīng)元的整體活動(dòng)中扮演更重要的角色。 Harnett 說(shuō)，到目前為止，很難測(cè)試這些想法中哪一個(gè)更準(zhǔn)確。

　　為了探索樹突在神經(jīng)計(jì)算處理信息中的作用，麻省理工學(xué)院的研究小組利用鈣成像技術(shù)，同時(shí)測(cè)量了大腦視皮層單個(gè)神經(jīng)元胞體和樹突的活動(dòng)。鈣在神經(jīng)元電活動(dòng)時(shí)流入神經(jīng)元，因此這項(xiàng)測(cè)量使研究人員能夠比較同一神經(jīng)元的樹突和胞體的活動(dòng)。 成像是在小鼠執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)時(shí)完成的，例如在跑步或觀看影像。

　　出人意料的是，研究人員發(fā)現(xiàn)胞體中的活性與樹突活性高度相關(guān)。 也就是說(shuō)，當(dāng)特定神經(jīng)元的胞體活動(dòng)時(shí)，該神經(jīng)元的樹突大部分時(shí)間也是激活的。 這是特別令人驚訝的，因?yàn)閯?dòng)物沒有執(zhí)行任何形式的認(rèn)知需求的任務(wù)，Harnett 說(shuō)。

　　"他們沒有從事一項(xiàng)必須真正調(diào)用認(rèn)知過(guò)程或記憶的任務(wù)。 他說(shuō)："這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的低級(jí)處理，我們已經(jīng)有證據(jù)表明，幾乎所有的神經(jīng)元中樹突都有活躍的過(guò)程。"

　　演進(jìn)模式

　　研究人員還不清楚樹突輸入如何影響神經(jīng)元的整體活動(dòng)，也不知道他們研究的神經(jīng)元究竟在做什么。

　　"我們知道有些神經(jīng)元對(duì)視覺刺激有反應(yīng)，但我們不一定知道這些神經(jīng)元代表的是什么。" 我們只能說(shuō)，無(wú)論神經(jīng)元代表什么，樹突都在積極地參與其中，"Beauliu-Laroche 說(shuō)。

　　雖然還需要更多的工作來(lái)確定樹突和胞體中的活動(dòng)是如何聯(lián)系在一起的，但正是這些體內(nèi)測(cè)量，對(duì)于明確檢測(cè)神經(jīng)元電信號(hào)的假設(shè)至關(guān)重要，“加州大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)生物學(xué)教授 Marla Feller 說(shuō)道，他沒有參與這項(xiàng)研究。

　　麻省理工學(xué)院的研究小組現(xiàn)在計(jì)劃通過(guò)操控樹突活動(dòng)，然后測(cè)量它如何影響胞體的活動(dòng)，來(lái)研究樹突活動(dòng)對(duì)整體神經(jīng)元功能的貢獻(xiàn)，Harnett 說(shuō)。 他們還計(jì)劃研究他們觀察到的活動(dòng)模式是否隨著動(dòng)物學(xué)習(xí)新任務(wù)而演變。

　　Harnett 說(shuō)："一個(gè)假設(shè)是，樹突活動(dòng)實(shí)際上會(huì)增強(qiáng)，以表示你教給動(dòng)物的某一項(xiàng)任務(wù)的特征，而所有其他樹突和其他胞體的活動(dòng)，都會(huì)在其他沒有參與的皮質(zhì)細(xì)胞中受到抑制。"

　　該研究由加拿大自然科學(xué)和工程研究委員會(huì)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助。

　　參考資料：

　　“Widespread and Highly Correlated Somato-dendritic Activity in Cortical Layer 5 Neurons”. Lou Beaulieu-Laroche, Enrique H.S. Toloza, Norma J. Brown, Mark T. Harnett.Neuron. doi:10.1016/j.neuron.2019.05.014

　　作者信息

　　編譯作者：Ben（brainnews 創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

　　校審：Simon（brainnews 編輯部）

　　題圖：geekwire.com

總結(jié)

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