在一項新的研究中，來自萊比錫大學(xué)卡爾-路德維希研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，在大腦皮層中，腦細(xì)胞之間的突觸信號傳遞即使在鈣離子濃度較低的情況下也能非?？煽康匕l(fā)揮功能——這與大腦后部區(qū)域的情況不同。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

這些發(fā)現(xiàn)有助于我們理解健康大腦的運(yùn)作機(jī)制，但也可能對計算機(jī)行業(yè)有所裨益，例如在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)中。

思考、學(xué)習(xí)、感受——所有感官知覺都在大腦中處理。人類大腦中大約有1000億個神經(jīng)細(xì)胞相互連接。

這些腦細(xì)胞之間的超高速通信主要通過其接觸點(diǎn)——突觸——進(jìn)行信號傳遞。這一過程涉及復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，以跨越發(fā)送細(xì)胞與接收細(xì)胞之間的微小間隙。這個過程的基本機(jī)制已為人所知：簡而言之，當(dāng)發(fā)送神經(jīng)元中的鈣離子與特定傳感器蛋白結(jié)合時，會觸發(fā)突觸信號傳遞，從而導(dǎo)致發(fā)送細(xì)胞釋放稱為神經(jīng)遞質(zhì)的信使分子。接收細(xì)胞則以可測量的電信號作出響應(yīng)。

信號傳遞的差異

然而，大腦不同區(qū)域在信號傳遞方面存在顯著差異，例如神經(jīng)細(xì)胞大小、突觸數(shù)量以及細(xì)胞內(nèi)鈣離子結(jié)合傳感蛋白的特性等。

“我們早已知道，大腦皮層的信號傳遞比其他腦區(qū)可靠得多，”論文通訊作者、萊比錫大學(xué)卡爾-路德維希研究所醫(yī)學(xué)系教授Hartmut Schmidt說道。

大腦皮層也被稱為大腦的灰質(zhì)，其中包含處理各種功能的中心，例如軀體感覺皮層。這是身體感官印象在傳遞到皮層其他部分之前進(jìn)行預(yù)處理的區(qū)域。

傳感蛋白發(fā)揮關(guān)鍵作用

“在我們的新研究中，我們發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的傳感器蛋白——突觸結(jié)合蛋白1（synaptotagmin 1, Syt1）——已能對突觸中更低的鈣濃度作出反應(yīng)并觸發(fā)信號傳遞。這與存在于大腦后部細(xì)胞中已被研究了25年的稱為突觸結(jié)合蛋白2（synaptotagmin 2, Syt2）的傳感蛋白形成對比。Syt1的特性似乎有助于我們研究的皮層突觸不僅更可靠，而且更具可塑性——這是大腦在一生中適應(yīng)新需求的基本前提，”Schmidt解釋道。

對健康大腦中這些因素的詳細(xì)了解為識別腦部疾病中的異常過程以及開發(fā)潛在療法奠定了基礎(chǔ)。“但這些發(fā)現(xiàn)也可能對計算機(jī)行業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展具有相關(guān)性，”Schmidt說。  

研究人員使用小鼠腦組織研究了初級軀體感覺皮層中的細(xì)胞。他們在實(shí)驗系列中結(jié)合了多種方法：利用膜片鉗技術(shù)，他們測量了相連神經(jīng)元對的電信號。與此同時，他們利用紫外激光和雙光子激光顯微鏡監(jiān)測并測量突觸中的鈣濃度。

他們還開發(fā)了一種名為“軸突行走（axon walking）”的自有方法。該方法可定位神經(jīng)細(xì)胞的軸突上當(dāng)前活躍的四到五個突觸。這些突觸的大小僅約為千分之一毫米。

基于這些數(shù)據(jù)，研究人員為所研究的傳感蛋白Syt1開發(fā)了一個詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型。該模型也可供其他研究小組使用。當(dāng)前的后續(xù)項目正在探討是否能在大腦皮層的不同區(qū)域進(jìn)一步區(qū)分突觸傳遞