模型显示，神经元放电的速度影响了它们的同步能力

由冲绳科技研究生院(OIST)计算神经科学研究所进行的研究首次表明，计算机模型可以复制并解释一个关键脑细胞所显示的独特特性。他们的研究结果今天发表在eLife，阐明了神经元群是如何在快速放电时通过同步进行自我组织的。

该模型主要关注小脑内的浦肯野神经元。后脑的这个密集区域接收来自身体和大脑其他部位的输入，以便调整动作的准确性和时间，以及其他任务。

“浦肯野细胞是一个有吸引力的目标，因为一直有大量的实验数据可以提取，”Erik De Schutter教授说，他是计算神经科学单元的负责人。“但几年前，对这些神经元的实验研究发现了一种奇怪的行为，这是任何现有模型都无法复制的。”

这些研究表明，浦肯野神经元的放电率影响了它对其他邻近神经元发出的信号的反应。

神经元发出电信号的速率是将信息传递给其他神经元的最重要的方式之一。电脉冲或动作电位遵循“要么发生，要么不发生”的原则，但电信号的大小没有变化，只有频率变化。对神经元的输入越强，神经元发出的信号就越快。

但神经元并不以独立的方式发射。“神经元与许多同样传递电信号的其他神经元相连并纠缠在一起。这些尖刺可以通过突触连接扰乱邻近的神经元，并改变它们的放电模式，”De Schutter教授解释说。

有趣的是，当浦肯野细胞缓慢放电时，来自连接细胞的尖刺对神经元的尖刺没有什么影响。但是，当放电速率较高时，输入尖刺的影响会增大，使浦肯野细胞更早地放电。

“现有的模型无法复制这种行为，因此也无法解释为什么会发生这种情况。尽管这些模型很好地模仿了尖峰信号，但它们缺乏关于神经元在尖峰信号间隔期间如何行动的数据，”德舒特教授说。“很明显，我们需要一个包含更多数据的新模型。”

测试新模型

幸运的是，德舒特教授所在的单位刚刚完成了一个更新模型的开发，这是一项艰巨的任务，主要由现在的博士后研究员臧云亮博士承担。

一旦完成，该团队第一次发现，新的模型能够复制独特的发射率依赖行为。

在模型中，他们看到，在尖峰之间的间隔中，Purkinje神经元的慢慢烧制神经元的膜电压远低于快速烧制的膜。

“为了触发新的尖峰，膜电压必须足够高以达到阈值。当神经元以高速射击时，它们的较高膜电压使得略微增加膜电压的扰动输入可以更容易地提高膜电压。越过这个门槛并导致新的尖峰，“de schutter教授。

研究人员发现，诸如快速和慢射神经元之间的膜电压的这些差异是因为紫癜神经元的特定类型的钾离子通道。

“以前的模型是只有我们知道的通用类型的钾渠道开发的。但是新模型更详细和复杂，包括关于许多Purkinje细胞特异性钾通道的数据。这就是这种独特行为可以的原因终于被复制并了解了，“De Schutter教授说。

同步的关键

然后，研究人员决定使用他们的模型来探讨这种行为在普利钦吉神经元网络中的较大规模上的影响。他们发现，在高烧制速率下，神经元开始在同一时间松散地同步和燃烧。然后当射击率减慢时，这种协调很快就会丢失。

该小组的组长洪成和(Sungho Hong，音)博士使用了一个更简单的数学模型，然后证实了这种联系是由于浦肯野神经元对连接的神经元的峰值作出反应的快和慢的不同。

“这是直观的感觉，”De Schutter教授说。他解释说，对于神经元能够同步，他们需要能够响应于对小脑的输入来调节它们的射击率。“所以这种与其他尖峰同步只发生在浦吉济群神经元迅速射击时，”他补充道。

同步的作用在神经科学中仍然存在争议，它的确切功能仍然不为人所知。但许多研究人员认为，神经活动的同步化在认知过程中发挥着作用，使大脑的不同区域之间能够进行交流。对于浦肯野神经元来说，它们允许发出强烈而及时的信号，实验研究表明，这可能对启动运动很重要。

“这是研究首次探讨了神经元火灾的速率是否影响其同步的能力，并解释了同步神经元的这些组件如何快速出现和消失，”De Schutter教授说。“我们可能会发现大脑中的其他电路也依赖于这种依赖的机制。”

该团队现在计划继续使用该模型来更深入地探索这些脑细胞是如何单独或作为一个网络运行的。随着科技的发展和计算能力的增强，德舒特教授有了一个终极的人生抱负。

“我的目标是建造最复杂和现实的模型一个神经元的可能性，”德舒特教授说。“OIST有足够的资源和计算能力来做到这一点，来开展真正有趣的科学，推动可能性的边界。只有钻研得越来越深的细节神经元我们才能真正开始更好地理解到底发生了什么。”

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