對(duì)大腦中神經(jīng)元行為的新見(jiàn)解可能為識(shí)別學(xué)習(xí)障礙鋪平道路

還記得老師和家長(zhǎng)聽(tīng)到人們被稱為慢學(xué)習(xí)者嗎?對(duì)于那些花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)處理信息的人來(lái)說(shuō)，這種常用的描述現(xiàn)在已經(jīng)有了它存在的科學(xué)依據(jù)。

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

換句話說(shuō)，當(dāng)談到快速思考時(shí)，時(shí)機(jī)會(huì)產(chǎn)生重大影響。

在發(fā)現(xiàn)這一發(fā)現(xiàn)時(shí)，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(lái)自生理學(xué)系 - 以及來(lái)自中國(guó)的合作者Thomas Behnisch博士提供了有關(guān)基本信息。精確的時(shí)間可以嚴(yán)重影響記憶過(guò)程的形成。該研究于2019年3月1日在**的國(guó)際期刊“美利堅(jiān)合眾國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”(PNAS)上發(fā)表。

適應(yīng)和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的能力是人類大腦最有趣的特征之一。這個(gè)迷人的器官由數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元又連接到許多其他細(xì)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(dòng)態(tài)增強(qiáng)或減弱以響應(yīng)傳入的信息。突觸功效的這種變化是學(xué)習(xí)和大腦記憶形成的基礎(chǔ)。

新加坡國(guó)立大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)，海馬體(一個(gè)對(duì)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(xué)習(xí)機(jī)制。一種這樣的學(xué)習(xí)形式，稱為“尖峰定時(shí)依賴性可塑性(STDP)”，取決于突觸前神經(jīng)元和突觸后的每對(duì)電刺激(用于在神經(jīng)元內(nèi)傳遞信息的電活動(dòng))的時(shí)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(guò)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(dāng)突觸前和突觸后神經(jīng)元同時(shí)活動(dòng)(相隔小于30毫秒)時(shí)，它們之間的連接得到加強(qiáng)。然而，

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

研究人員可以檢測(cè)到峰值時(shí)間的長(zhǎng)期影響，因?yàn)樗麄冄芯客挥|變化的持續(xù)時(shí)間(4小時(shí))比之前研究中使用的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，通常不到1.5小時(shí)。

已經(jīng)提出STDP模型來(lái)解釋空間和時(shí)間序列學(xué)習(xí)。此外，STDP模型在各種必須快速完成物體識(shí)別和決策的情況下派上用場(chǎng)，例如拋射物避免或朋友識(shí)別。例如，當(dāng)一個(gè)球飛向我們時(shí)，我們必須在非常小的時(shí)間窗口內(nèi)識(shí)別物體及其行進(jìn)軌跡，以便迅速采取行動(dòng)以避免被擊中。同樣，當(dāng)我們遇到另一個(gè)人時(shí)，我們必須迅速?zèng)Q定他們是朋友還是敵人。這種認(rèn)識(shí)需要在STDP解釋的活動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行大腦各個(gè)區(qū)域的協(xié)調(diào)行動(dòng)。

“不幸的是，由于海馬在這種癡呆癥的常見(jiàn)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(shí)間進(jìn)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(shí)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(guó)立大學(xué)醫(yī)院神經(jīng)病學(xué)高級(jí)顧問(wèn)，記憶衰老主任Christopher Chen博士說(shuō)。認(rèn)知中心，國(guó)立大學(xué)衛(wèi)生系統(tǒng)。

全面了解影響神經(jīng)連接的因素對(duì)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(jì)算規(guī)則可以幫助指導(dǎo)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(xué)習(xí)機(jī)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(zhǎng)某些任務(wù)，如藝術(shù)或數(shù)學(xué)，但難以社交的原因。使用人工智能，它可能有可能識(shí)別或多或少活躍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且可能使用STDP規(guī)則使其功能正常化，“Sajikumar博士說(shuō)。

基于對(duì)正常大腦如何計(jì)算信息和學(xué)習(xí)的這種改進(jìn)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(fēng)，慢性疼痛，學(xué)習(xí)障礙和阿爾茨海默病等疾病的進(jìn)一步研究機(jī)制。