神經(jīng)元如何控制大腦的謎團終于解開了

大腦是效率的奇跡，經(jīng)過數(shù)千年的進化磨練，因此它能夠在快速變化的世界中適應(yīng)和發(fā)展。然而，盡管進行了數(shù)十年的研究，大腦如何實現(xiàn)這一目標的謎團仍然難以捉摸。

我們新研究發(fā)表在雜志上細胞》揭示了神經(jīng)元（負責您的童年記憶、思想和情感的細胞）如何協(xié)調(diào)它們的活動。

這有點像在一家高績效企業(yè)中工作。平衡個人技能與團隊合作是成功的關(guān)鍵，但您如何實現(xiàn)平衡呢？

事實證明，大腦的秘密非常簡單：將每個細胞精力的一半（且不少于 40%）投入到單個任務(wù)中。

剩下的努力去哪兒了？邁向可擴展的團隊合作。

關(guān)鍵在于：我們在五個物種的大腦中發(fā)現(xiàn)了完全相同的組織結(jié)構(gòu)——從果蠅和線蟲到斑馬魚、老鼠和猴子。

這些物種來自生命之樹的不同分支，它們之間相隔不止一個億年的進化，這表明我們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了優(yōu)化信息處理的基本原理。它還為當今任何復(fù)雜的系統(tǒng)提供了強有力的經(jīng)驗教訓(xùn)。

關(guān)鍵的中間地帶

我們的發(fā)現(xiàn)解決了長期存在的關(guān)于大腦的爭論：神經(jīng)元的行為是否像明星球員（每個都高度專業(yè)化和高效）還是他們優(yōu)先考慮團隊 合作（確保整個系統(tǒng)即使在某些元素不穩(wěn)定時也能正常工作）？

回答這個問題一直很有挑戰(zhàn)性。直到最近，神經(jīng)科學(xué)工具還僅限于記錄幾個細胞或數(shù)百萬個細胞的活動。

這就像試圖通過采訪少數(shù)員工或僅接收高級部門摘要來了解一家大型公司。關(guān)鍵的中間立場缺失。

然而，隨著鈣成像，我們現(xiàn)在可以同時記錄來自數(shù)萬個細胞的信號。鈣成像是一種讓我們通過使用熒光傳感器實時觀察神經(jīng)活動的方法，熒光傳感器會根據(jù)細胞中的鈣水平亮起。

應(yīng)用我從物理訓(xùn)練中獲得的見解來分析大規(guī)模數(shù)據(jù)集，我們發(fā)現(xiàn)大腦活動根據(jù)分形層次結(jié)構(gòu).

細胞協(xié)同工作以構(gòu)建更大、更協(xié)調(diào)的網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建一個組織，每個規(guī)模都反映了上下規(guī)模。

這個結(jié)構(gòu)回答了爭論：大腦實際上是雙.

它以一種巧妙的方式平衡了個性和團隊合作。大約一半的努力都花在了 “個人” 性能上，因為神經(jīng)元在越來越大的網(wǎng)絡(luò)中進行協(xié)作。

大腦可以迅速適應(yīng)變化

為了測試大腦的結(jié)構(gòu)是否具有獨特的優(yōu)勢，我們運行了計算模擬，揭示了這種分形層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化了整個大腦的信息流。

它允許大腦做一些至關(guān)重要的事情：適應(yīng)變化。它確保大腦高效運行，以最少的資源完成任務(wù)，同時即使在神經(jīng)元失靈時也能保持功能，從而保持彈性。

無論您是在不熟悉的地形中導(dǎo)航還是對突發(fā)威脅做出反應(yīng)，您的大腦都會迅速處理新信息并采取行動。神經(jīng)元不斷調(diào)整它們的協(xié)調(diào)性，使大腦保持足夠穩(wěn)定以進行深入思考，同時又足夠敏捷以應(yīng)對新的挑戰(zhàn)。

我們發(fā)現(xiàn)的多尺度組織允許不同的策略——或者”神經(jīng)代碼“ – 在不同尺度上發(fā)揮作用。

例如，我們發(fā)現(xiàn)斑馬魚的運動依賴于許多神經(jīng)元的協(xié)同工作。這種彈性設(shè)計確保游泳順暢地繼續(xù)進行，即使在快速變化的環(huán)境中也是如此。

相比之下，鼠標視覺適應(yīng)蜂窩規(guī)模，允許從場景中提取精細細節(jié)所需的精度。在這里，如果一些神經(jīng)元錯過了關(guān)鍵信息，整個感知就會發(fā)生變化——就像視覺錯覺欺騙你的大腦一樣。

我們的研究結(jié)果顯示，神經(jīng)元活動的這種分形協(xié)調(diào)發(fā)生在一個巨大的進化跨度中：從脊椎動物（其最后一個共同祖先生活在 4.5 億年前）到可追溯到 10 億年前的無脊椎動物。

這表明大腦已經(jīng)進化到可以平衡效率和彈性，從而優(yōu)化信息處理和適應(yīng)新的行為需求。進化的持久性暗示我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個基本的設(shè)計原則。

基本原則？

這是一個激動人心的時代，因為物理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)繼續(xù)相互作用，以揭示大腦的普遍規(guī)律，這些規(guī)律是在億萬年的自然選擇中精心制定的。需要未來的工作來了解這些原理如何在人腦中發(fā)揮作用。

我們的研究結(jié)果還暗示了更大的事情：這種關(guān)于個人關(guān)注和可擴展團隊合作的簡單規(guī)則可能不僅僅是大腦的解決方案。

當元素組織到分層網(wǎng)絡(luò)中時，可以有效地共享資源，并且系統(tǒng)可以增強對中斷的能力。

最好的企業(yè)以相同的方式運作——當新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)時，個人可以在不等待經(jīng)理指示的情況下做出反應(yīng)，從而使他們能夠解決問題，同時迅速得到組織的支持。

在復(fù)雜系統(tǒng)中實現(xiàn)彈性和效率可能是一個普遍的原則。

籃球傳奇人物邁克爾·喬丹他說得對：“天賦贏局，但團隊合作和智慧贏冠軍”。

布蘭登·羅伯特·穆恩， 博士后研究員，悉尼大學(xué)

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