圖片來源:Leandro Alonso
研究大腦的科研人員一直對神經(jīng)系統(tǒng)振蕩懷有濃厚興趣,這種節(jié)律性的腦電活動在大腦神經(jīng)回路內(nèi)部傳輸信息時(shí)發(fā)揮著重要作用。在大鼠中,大腦海馬區(qū)域的振蕩能顯示描述該動物在物理空間位置的編碼信息。在人體中,神經(jīng)振蕩研究常常涉及與癲癇以及各種睡眠紊亂之間的關(guān)系,盡管關(guān)于其精準(zhǔn)功能的問題依然存在。
對于研究大腦不同結(jié)構(gòu)如何處理信息的計(jì)算神經(jīng)學(xué)家來說,這類活動有趣的一面是神經(jīng)組織通過不同種類的振蕩對外部刺激作出回應(yīng)的能力。
“這些不同的回應(yīng)是神經(jīng)學(xué)科領(lǐng)域若干重要問題的基礎(chǔ)?!庇?jì)算神經(jīng)學(xué)專家、美國紐約洛克菲勒大學(xué)原博士后Leandro Alonso解釋說,“同樣的神經(jīng)組織如何在不同的時(shí)間點(diǎn)做不同的事情?信息如何被神經(jīng)回路的連接和固有的動力改變?”
利用計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的描述相互連系的神經(jīng)元群體平均活動的威爾遜—考恩模型,Alonso設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)學(xué)工具,該工具有助于其他神經(jīng)學(xué)家探索來自簡單神經(jīng)回路的廣泛回應(yīng)。
Alonso在近日發(fā)表于美國物理聯(lián)合會《混沌》期刊的文章中解釋了這一成果。
“它在神經(jīng)科學(xué)建模概念上很有用,可以建立對一個(gè)控制參數(shù)的微弱變化產(chǎn)生廣泛反應(yīng)的系統(tǒng),這或許有助于提供對相同神經(jīng)組織做出不同應(yīng)答的洞察。”Alonso說,他的研究受到了利昂·利維基金會獎學(xué)金的資助。
Alonso的模型建立在一個(gè)叫作“非線性振子”的數(shù)學(xué)概念之上。當(dāng)振子——處于重復(fù)波動狀態(tài)的數(shù)量——是線性時(shí),振子會通過映射其節(jié)奏或頻率對外部輸入作出應(yīng)答。相反,當(dāng)使用非線性振子時(shí),振蕩響應(yīng)頻率會隨著輸入頻率而變化。振蕩響應(yīng)的形態(tài)也會出現(xiàn)差異。
盡管非線性振蕩并非是神經(jīng)科學(xué)所特有的,Alonso依然非常吃驚地發(fā)現(xiàn)它與威爾遜—考恩模型結(jié)合的程度如此之好,可以為神經(jīng)元如何連接提供一些洞察,如此一來在受到刺激時(shí),它們就能夠產(chǎn)生各種各樣的振蕩。
“當(dāng)你觀察大腦中振蕩現(xiàn)象的復(fù)雜程度時(shí),似乎可以合理地認(rèn)為它可以通過以這些振蕩為基礎(chǔ)的一個(gè)同等復(fù)雜的系統(tǒng)來解釋。”Alonso說,“無論是否是這種情況,非常有趣的是,一個(gè)僅擁有兩個(gè)相互連接的神經(jīng)元群體的簡單回路能夠產(chǎn)生類似的同樣多的活動類型?!?/p>
“不同的顏色表明了應(yīng)答的頻率如何變化。”Alonso解釋說。
Alonso在阿根廷布宜諾斯艾利斯大學(xué)動力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室培訓(xùn)時(shí)開始研究神經(jīng)元的非線性振蕩,他認(rèn)為該模型有助于其他計(jì)算神經(jīng)學(xué)家研究自己的模型。
“我希望這個(gè)過程有助于獲得神經(jīng)回路的指標(biāo)參數(shù)。比如它們的連接性,這樣一來傳入的振蕩將激發(fā)若干不同種類的應(yīng)答?!盇lonso說,“關(guān)于非線性振蕩更廣泛的討論可能還有助于讓科學(xué)家檢測其他表現(xiàn)出類似動態(tài)響應(yīng)的生物系統(tǒng)。”
Alonso的下一個(gè)研究項(xiàng)目將是調(diào)查將這些特征結(jié)合在一起的擁有多種神經(jīng)回路系統(tǒng)的特征。(晉楠編譯)
作者: 晉楠 [責(zé)任編輯: 呂芮光]
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