连接大脑的普遍过程在不同物种之间是一致的

一项新的模型研究有助于证实不同动物物种（可能包括人类）大脑中的关键连接是以相同的方式形成的。

一项新的研究证实，老鼠、昆虫或蠕虫——在所有这些生物中，相同的原理指导着大脑中神经元之间形成超强连接。这项研究有助于验证这样的观点：无论物种如何，大脑网络的形成都存在一种普遍的机制。

不同的动物大脑中携带的神经元数量不同，从蠕虫的数百个到人类的数百亿个不等。神经元相互形成连接，称为突触，使信息能够以电信号的形式从大脑的一个区域传递到另一个区域。这些连接共同形成一个网络，使动物能够发挥作用并处理有关世界的信息。 

该网络是灵活的；它总是在变化和重新排列。神经元之间的一些连接相当弱，因此很容易被破坏和替换，而一小部分神经元的连接却非常强。这些强链接被称为“重尾”连接，因为在大脑连接密度从低到高的图表上，它们是绘制在尺度密集端的异常值——就像动物的尾巴一样。 

与大脑中数量远远超过重尾连接的弱连接相比，这些重尾连接在控制学习和记忆等主要认知过程中发挥着更大的作用。然而，周三（1 月 17 日）发表在《自然》杂志上的这项新研究的作者表示，尚不清楚这些牢固的联系是通过简单、已知的网络组织原理形成的，还是通过物种特异性的机制形成的。物理。 

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诺丁汉大学神经信息学教授马库斯·凯泽 (Marcus Kaiser) 表示：“人们早就知道，神经元所连接的神经元数量差异很大，网络中的某些神经元是高度连接的中枢。”未参与这项研究的英国大学在一封电子邮件中告诉《生活科学》。 

“然而，在不同物种之间，联系的权重[强度]分布也有很大差异，”他说。研究小组想看看这种差异是否源于每个物种大脑连接方式的差异。 

作者根据小鼠、果蝇和两种蠕虫的大脑，分析了神经元之间的接线图（称为连接组）。他们通过使用专门的成像技术分析组织样本来创建这些图。 

为了推断重尾连接是如何形成的，他们利用连接组的数据开发了一个数学模型，该模型基于被称为赫布可塑性的神经元自组织原理。这个原理可以用“神经元一起放电，连接在一起”来概括。换句话说，当一个神经元通过化学信息反复激活另一个神经元时，两个细胞之间的联系就会变得更强。这一基本原则是我们学习和形成记忆的基础。 

然而，之前的一些研究表明，赫布动力学本身可能无法完全解释动物重新连接突触和加强神经元之间连接的能力。 

作者的模型证实，赫布可塑性解释了他们研究的所有动物中重尾连接的形成，而不需要针对每个物种的额外机制。研究人员表示，除了解释重尾连接之外，这一原理还可能引导神经元根据其活动水平聚集在一起并形成紧密结合的群体。 

他们在一份声明中表示，为了使他们的模型更好地类似于真实的大脑，作者确保其网络组织中具有一定的随机性。这项新研究的第一作者克里斯托弗·林恩 (Christopher Lynn) 认为，神经元通常会因其活动而重新排列和连接，如赫布动力学，或者随机地，突触有时会在没有明确原因的情况下断开或形成。这项研究是在纽约市立大学 (CUNY) 研究生中心进行的，在另一份声明中说道。 

“总的来说，这是解释生物神经网络中突触权重（神经元之间连接强度）变化的有希望的第一步，”凯泽说。 

然而，这篇文章的局限性可能是作者仅将模型中的一些特征与真实的神经元网络进行了比较，他说。例如，他们用自己的模型测试了聚类，但没有测试你期望在具有重尾连接的大脑网络中看到的其他功能，他说。其中包括模块（神经元密集连接的区域）和短的整体路径长度，即细胞之间的距离。 

作者在工作中没有研究人类大脑，但他们认为研究这种看似普遍的网络发展原理可以帮助科学家更好地了解包括人类在内的许多动物的大脑结构和功能。 

“这些发现可以帮助我们更好地了解人脑中的各种连接是如何产生的，以及大脑在受伤后如何愈合和恢复的，”美国国家心理健康研究所首席研究员 Dietmar Plenz 说道。没有参与这项研究，在一封电子邮件中告诉《生活科学》。 

编者注：本文于 2024 年 1 月 18 日更新，引用了 Dietmar Plenz 的话。该故事首次发表于 2024 年 1 月 17 日。