圖片來源：Leandro Alonso

研究大腦的科研人員一直對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)振蕩懷有濃厚興趣，這種節(jié)律性的腦電活動(dòng)在大腦神經(jīng)回路內(nèi)部傳輸信息時(shí)發(fā)揮著重要作用。在大鼠中，大腦海馬區(qū)域的振蕩能顯示描述該動(dòng)物在物理空間位置的編碼信息。在人體中，神經(jīng)振蕩研究常常涉及與癲癇以及各種睡眠紊亂之間的關(guān)系，盡管關(guān)于其精準(zhǔn)功能的問題依然存在。

對(duì)于研究大腦不同結(jié)構(gòu)如何處理信息的計(jì)算神經(jīng)學(xué)家來說，這類活動(dòng)有趣的一面是神經(jīng)組織通過不同種類的振蕩對(duì)外部刺激作出回應(yīng)的能力。

“這些不同的回應(yīng)是神經(jīng)學(xué)科領(lǐng)域若干重要問題的基礎(chǔ)。”計(jì)算神經(jīng)學(xué)專家、美國(guó)紐約洛克菲勒大學(xué)原博士后Leandro Alonso解釋說，“同樣的神經(jīng)組織如何在不同的時(shí)間點(diǎn)做不同的事情？信息如何被神經(jīng)回路的連接和固有的動(dòng)力改變？”

利用計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的描述相互連系的神經(jīng)元群體平均活動(dòng)的威爾遜—考恩模型，Alonso設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)學(xué)工具，該工具有助于其他神經(jīng)學(xué)家探索來自簡(jiǎn)單神經(jīng)回路的廣泛回應(yīng)。

Alonso在近日發(fā)表于美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)《混沌》期刊的文章中解釋了這一成果。

“它在神經(jīng)科學(xué)建模概念上很有用，可以建立對(duì)一個(gè)控制參數(shù)的微弱變化產(chǎn)生廣泛反應(yīng)的系統(tǒng)，這或許有助于提供對(duì)相同神經(jīng)組織做出不同應(yīng)答的洞察?！盇lonso說，他的研究受到了利昂·利維基金會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金的資助。

Alonso的模型建立在一個(gè)叫作“非線性振子”的數(shù)學(xué)概念之上。當(dāng)振子——處于重復(fù)波動(dòng)狀態(tài)的數(shù)量——是線性時(shí)，振子會(huì)通過映射其節(jié)奏或頻率對(duì)外部輸入作出應(yīng)答。相反，當(dāng)使用非線性振子時(shí)，振蕩響應(yīng)頻率會(huì)隨著輸入頻率而變化。振蕩響應(yīng)的形態(tài)也會(huì)出現(xiàn)差異。

盡管非線性振蕩并非是神經(jīng)科學(xué)所特有的，Alonso依然非常吃驚地發(fā)現(xiàn)它與威爾遜—考恩模型結(jié)合的程度如此之好，可以為神經(jīng)元如何連接提供一些洞察，如此一來在受到刺激時(shí)，它們就能夠產(chǎn)生各種各樣的振蕩。

“當(dāng)你觀察大腦中振蕩現(xiàn)象的復(fù)雜程度時(shí)，似乎可以合理地認(rèn)為它可以通過以這些振蕩為基礎(chǔ)的一個(gè)同等復(fù)雜的系統(tǒng)來解釋?！盇lonso說，“無論是否是這種情況，非常有趣的是，一個(gè)僅擁有兩個(gè)相互連接的神經(jīng)元群體的簡(jiǎn)單回路能夠產(chǎn)生類似的同樣多的活動(dòng)類型?！?/p>

“不同的顏色表明了應(yīng)答的頻率如何變化。”Alonso解釋說。

Alonso在阿根廷布宜諾斯艾利斯大學(xué)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室培訓(xùn)時(shí)開始研究神經(jīng)元的非線性振蕩，他認(rèn)為該模型有助于其他計(jì)算神經(jīng)學(xué)家研究自己的模型。

“我希望這個(gè)過程有助于獲得神經(jīng)回路的指標(biāo)參數(shù)。比如它們的連接性，這樣一來傳入的振蕩將激發(fā)若干不同種類的應(yīng)答。”Alonso說，“關(guān)于非線性振蕩更廣泛的討論可能還有助于讓科學(xué)家檢測(cè)其他表現(xiàn)出類似動(dòng)態(tài)響應(yīng)的生物系統(tǒng)?！?/p>

Alonso的下一個(gè)研究項(xiàng)目將是調(diào)查將這些特征結(jié)合在一起的擁有多種神經(jīng)回路系統(tǒng)的特征。（晉楠編譯）

作者： 晉楠 [責(zé)任編輯: 呂芮光]