研究表明不规则神经元连接强度的结构中包含隐藏的顺序

研究表明不规则神经元连接强度的结构中包含隐藏的顺序

在大脑中，我们的感知是由通过突触连接的神经元的复杂相互作用产生的。 然而，特定类型神经元之间的连接数量和强度可能有所不同。 来自波恩大学医院 (UKB)、美因茨大学医院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团队，作为 DFG 资助的优先计划“计算连接组学”(SPP2041) 项目的一部分，现在发现，看似不规则的神经元连接强度的结构中包含隐藏的顺序。 这对于神经网络的稳定性至关重要。 该研究现已发表在科学杂志《PNAS》上。

十年前，连接组学（即绘制大脑中约 860 亿个神经元之间的连接图）被宣布为未来科学的里程碑。 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。 单个神经元之间的连接强度很重要，因为它对于学习和认知表现至关重要。 “然而，每个突触都是独特的，其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一般原则。” “神经元网络的强大功能，”英国皇家癫痫研究所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研究组组长 Tatjana Tchumatchenko 教授解释说，这是进行这项研究的动机。

数学和实验室合理结合

在初级视觉皮层 (V1)，首先记录视觉刺激，眼睛通过丘脑（间脑感觉印象的控制点）向前发送视觉刺激。 研究人员仔细观察了在此过程中活跃的神经元之间的连接。 为此，研究人员在小鼠模型中通过实验测量了两类神经元对不同视觉刺激的联合反应。 同时，他们使用数学模型来预测突触连接的强度。 为了解释实验室记录的初级视觉皮层中此类网络连接的活动，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，它提供了独特的机会来比较理论模拟活动与实际观察到的活动，”慕尼黑大学神经生物学研究组组长 Laura Busse 教授说。 “我们表明，将 SSN 与小鼠丘脑和皮层视觉反应的实验记录相结合，使我们能够确定不同的连接强度组，这些连接强度会引起视觉皮层中记录的视觉反应。”

连接强度之间的顺序是关键

研究人员发现，观察到的突触强度的变化背后存在一定的顺序。 例如，从兴奋性神经元到抑制性神经元的连接总是最强的，而视觉皮层的反向连接则较弱。 这是因为建模中突触强度的绝对值（与之前的实验研究一样）有所不同，但仍然始终遵循一定的顺序。 因此，对测量活动的过程和强度起决定性作用的不是绝对值，而是相对条件。

“值得注意的是，对之前对突触连接的直接测量的分析揭示了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。”

Simon Renner，博士，慕尼黑大学神经生物学

雷纳对皮质和丘脑活动的实验记录使皮质神经元之间的连接得以表征。 “我们的结果表明，神经元活动包含大量有关神经元网络底层结构的信息，这些信息通过直接测量突触强度并不能立即显现出来。因此，我们的方法为研究难以通过实验获得的网络结构开辟了一个有希望的前景。” ”来自 UKB 实验癫痫学和认知研究所和法兰克福马克斯·普朗克脑研究所的 Nataliya Kraynyukova 博士解释道。这项研究是 Busse 教授和 Tchumatchenko 教授实验室之间跨学科合作的结果，他们密切合作，并根据各自的计算和实验专业知识建立了实验室。

来源：

波恩大学医院

参考：

Kraynyukova，N.，等人。 (2022) 丘脑和皮质视觉反应的体内细胞外记录揭示了 V1 连接规则。 美国国家科学院院刊。 doi.org/10.1073/pnas.2207032119 。

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