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 據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)10月18日報道，由德國哥廷根馬普研究院科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組，開發(fā)出一種破解連接腦神經(jīng)線路的運(yùn)算方法，通過檢測總體神經(jīng)元的活動，能確定兩個神經(jīng)元連接在一起的概率。了解神經(jīng)元之間如何建立信號線路，有助于人們理解大腦的工作原理。相關(guān)論文發(fā)表在zui近的《公共科學(xué)圖書館·計算生物學(xué)》上。

    人類大腦約有800億個神經(jīng)元，但它們都不能獨(dú)立作用，而是連接成緊密復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)。通過神經(jīng)網(wǎng)上無數(shù)神經(jīng)元的相互作用，交換信號，大腦才能完成它們的海量工作。但要根據(jù)腦組織結(jié)構(gòu)直接識別出信號線路，即使只有幾千個培養(yǎng)的神經(jīng)元也幾乎不可能。目前有一種比較成熟的方法，能通過鈣熒光檢測記錄神經(jīng)元動態(tài)活動。神經(jīng)元內(nèi)鈣的濃度與其電活性緊密相關(guān)，這樣同時記錄上千個神經(jīng)元的活動就成為可能。

    然而，關(guān)鍵問題是神經(jīng)元通訊速度太高，無法直接觀察一個脈沖是怎樣發(fā)出，并點(diǎn)亮了諸多神經(jīng)元的，無法區(qū)分一個連接是直接形成的，還是經(jīng)過幾個中轉(zhuǎn)站后形成的。西班牙巴塞羅那大學(xué)記錄了鈣熒光檢測數(shù)據(jù)，馬普研究院動力學(xué)與自組織研究所主任西奧·蓋澤爾領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)出一種算法，能從數(shù)據(jù)中得到神經(jīng)線路是如何連接的準(zhǔn)確信息。

    “我們的方法基于已知的‘轉(zhuǎn)讓熵’概念。”論文領(lǐng)導(dǎo)作者、馬普研究院奧萊弗·斯戴特說，轉(zhuǎn)讓熵是信息論中用到的一種檢測方法，能測量定向信息流的流量，也就是說，能算出從某個神經(jīng)元發(fā)出的信號引發(fā)另一個神經(jīng)元活動的可能性。“利用轉(zhuǎn)讓熵，這種方法能可靠地把真正的因果和表面現(xiàn)象區(qū)別開來。”

    研究人員用新方法來模擬鈣熒光實驗，用神經(jīng)網(wǎng)模型模擬檢測信號，包括鈣運(yùn)動和熒光檢測的逼真效果。他們發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)中的因果連接是隨時間而變化的，取決于神經(jīng)網(wǎng)的活動狀態(tài)。只在活性相對較低的平靜階段，網(wǎng)絡(luò)中的因果連接才與網(wǎng)絡(luò)本身的結(jié)構(gòu)一致。利用這一點(diǎn)可以進(jìn)行預(yù)測，在活性更高的階段，許多神經(jīng)元同時參與神經(jīng)會談，追蹤信息路徑就比較困難。新的分析方法還顯示，單個細(xì)胞周圍的連接非常集中。

    新方法可廣泛用于許多系統(tǒng)中，并讓重建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為可能。研究人員希望能用這種算法繪制神經(jīng)線路圖，在培養(yǎng)的和自然的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行大尺度計算。來自不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息，有助于人們理解神經(jīng)元在何時、何地形成了連接，以及它們選擇談話伙伴的標(biāo)準(zhǔn)。 

來源：科技日報