對大腦中神經(jīng)元行為的新見解可能為識別學習障礙鋪平道路

還記得老師和家長聽到人們被稱為慢學習者嗎?對于那些花費更長時間來處理信息的人來說，這種常用的描述現(xiàn)在已經(jīng)有了它存在的科學依據(jù)。

新加坡國立大學Yong Loo Lin醫(yī)學院的科學家們發(fā)現(xiàn)，一個人能夠快速掌握，處理，理解，儲存和使用信息，這取決于大腦神經(jīng)元發(fā)射的速度和時間。一個神經(jīng)元和下一個神經(jīng)元的發(fā)射之間的間隙越接近，接收，存儲和作用信息的速度就越大。

換句話說，當談到快速思考時，時機會產(chǎn)生重大影響。

在發(fā)現(xiàn)這一發(fā)現(xiàn)時，Sajikumar Sreedharan博士和本科生Karen Pang，博士生Mahima Sharma，博士后研究員Krishna Kumar博士 - 來自生理學系 - 以及來自中國的合作者Thomas Behnisch博士提供了有關(guān)基本信息。精確的時間可以嚴重影響記憶過程的形成。該研究于2019年3月1日在**的國際期刊“美利堅合眾國國家科學院院刊”(PNAS)上發(fā)表。

適應(yīng)和學習經(jīng)驗的能力是人類大腦最有趣的特征之一。這個迷人的器官由數(shù)十億個神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元又連接到許多其他細胞。神經(jīng)元之間的物理連接稱為突觸，是神經(jīng)元相互通信的地方。突觸非常可塑 - 這些連接可以動態(tài)增強或減弱以響應(yīng)傳入的信息。突觸功效的這種變化是學習和大腦記憶形成的基礎(chǔ)。

新加坡國立大學的研究小組發(fā)現(xiàn)，海馬體(一個對記憶形成至關(guān)重要的大腦區(qū)域)的神經(jīng)元使用了各種各樣的學習機制。一種這樣的學習形式，稱為“尖峰定時依賴性可塑性(STDP)”，取決于突觸前神經(jīng)元和突觸后的每對電刺激(用于在神經(jīng)元內(nèi)傳遞信息的電活動)的時間。神經(jīng)元(圖1)。突觸前神經(jīng)元中的電刺激刺激神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)穿過突觸以激活突觸后神經(jīng)元，其中信息被轉(zhuǎn)換回電刺突。當突觸前和突觸后神經(jīng)元同時活動(相隔小于30毫秒)時，它們之間的連接得到加強。然而，

此外，研究人員證明，當突觸前和突觸后尖峰同時發(fā)生時，突觸強度的增加持續(xù)數(shù)小時，突觸甚至可以加強弱信息，使其得以存儲。效果是特異性的，僅用于加強這種突觸，而不是增強其他突觸的變化。這項研究揭示了神經(jīng)元活動的瞬間時間在塑造大腦信息處理中的重要性。

研究人員可以檢測到峰值時間的長期影響，因為他們研究突觸變化的持續(xù)時間(4小時)比之前研究中使用的持續(xù)時間長，通常不到1.5小時。

已經(jīng)提出STDP模型來解釋空間和時間序列學習。此外，STDP模型在各種必須快速完成物體識別和決策的情況下派上用場，例如拋射物避免或朋友識別。例如，當一個球飛向我們時，我們必須在非常小的時間窗口內(nèi)識別物體及其行進軌跡，以便迅速采取行動以避免被擊中。同樣，當我們遇到另一個人時，我們必須迅速決定他們是朋友還是敵人。這種認識需要在STDP解釋的活動時間窗口內(nèi)進行大腦各個區(qū)域的協(xié)調(diào)行動。

“不幸的是，由于海馬在這種癡呆癥的常見原因中特別受損，因此在阿爾茨海默氏病影響的大腦中，大腦能夠根據(jù)信息流的精確時間進行改變的能力可能缺乏。本研究可為理解如何提供基礎(chǔ)這種時間差異改變了大腦的功能，也改變了這些改變?nèi)绾蔚玫脚まD(zhuǎn)或減輕。這可能使臨床醫(yī)生能夠幫助患有記憶喪失的患者，“國立大學醫(yī)院神經(jīng)病學高級顧問，記憶衰老主任Christopher Chen博士說。認知中心，國立大學衛(wèi)生系統(tǒng)。

全面了解影響神經(jīng)連接的因素對于我們理解大腦中的信息處理至關(guān)重要。它還有助于我們了解記憶是如何形成的。此外，牢牢掌握這些神經(jīng)計算規(guī)則可以幫助指導人工智能技術(shù)的構(gòu)建，例如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其受到大腦學習機制的啟發(fā)。

“在自閉癥譜系障礙的情況下，一些神經(jīng)系統(tǒng)比其他神經(jīng)系統(tǒng)更活躍。這可能是一些自閉癥患者擅長某些任務(wù)，如藝術(shù)或數(shù)學，但難以社交的原因。使用人工智能，它可能有可能識別或多或少活躍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且可能使用STDP規(guī)則使其功能正?；?，“Sajikumar博士說。

基于對正常大腦如何計算信息和學習的這種改進的理解，研究人員可以確定可能涉及精神分裂癥，抑郁癥，睡眠喪失，中風，慢性疼痛，學習障礙和阿爾茨海默病等疾病的進一步研究機制。