科学家模拟大脑如何过滤无关信息

设想你身处嘈杂的咖啡厅,展卷欲览,为了专注于你手中的读物,你需要忽视人群的叽叽喳喳、茶杯的叮叮当当——你需要让你的大脑过滤掉来自听觉的无关刺激,为你视觉所关注的卷上文字“打开闸门”。

这看似寻常的场景,却引发了神经科学家们对于大脑处理相关与无关信息机制的兴趣。在最新一期的《自然-通讯》杂志上,纽约大学、上海纽约大学的研究员提出了一种基于计算模型的全新理论,该理论阐释了大脑如何在不同环境下从众多不相关的信息中过滤出相关信息。

“了解我们的大脑如何从所有呈现在我们面前的信息中选择处理最重要的信息,对我们的日常生活尤为重要。”汪小京教授谈到,“在大脑极为复杂的神经环路中,一定存有一个特别的闸门机制对相关信息进行着识别,并将其在准确的时间送到准确的地点。”

汪小京教授是上海纽约大学科研副校长、华东师范大学-纽约大学脑与认知科学联合研究中心(上海纽约大学)主任、国家特聘专家、纽约大学神经科学教授,同时也是这篇论文的通讯作者。

该项研究关注人类大脑的“交通警”——抑制性神经元。抑制性神经元通过抑制其他神经元、以及平衡刺激神经元活动的兴奋性神经元,来确保人类对于外界各类刺激给予适当的神经反应。

“抑制性神经元是大脑神经环路的一个基本元素,我们的模型涉及多种抑制性神经元 的研究,”汪小京补充说,“我们的计算机模型表明,抑制性神经元可以让一个神经环路选择性地给一些信息打开特别的进入通道,并同时过滤掉其他信息。”                

在汪小京教授实验室的博士生杨光宇所做的实验分析中,该研究团队设计了一个模型, 标识出了抑制性神经元比以往认知的更为复杂的作用。            

该研究团队主要研究一种特殊的抑制性神经元。这种神经元专门负责抑制兴奋性神经 元的树突(注:树突是神经元的组成部分,负责接受其他神经元的信息输入)。这些“树突靶向”的抑制性神经元可以被名为生长激素抑制素(somatostatin)的生物标志物所标识, 并且可以被实验学家们有选择性地进行研究。研究团队提出,神经元树突靶向不仅可以控制对单个神经元的总体输入,还可以控制单个神经通路的在该神经元上的输入,例如视觉和听觉通路在某个神经元上的输入。       

“以往人们认为这种对单个神经通路的控制是困难的,因为抑制性神经元与兴奋性神经元之间的联结看起来密集且无结构。”杨光宇表示,“我们研究的特别之处在于发现了抑制性神经元可以实现选择性地给特定通路的信号打开通道所需要的精准性。”    

研究团队使用计算模型表明,在看似随意的神经元的联系中,树突靶向抑制性神经元可以通过“对齐”不同的神经通路的兴奋性输入来引导单个神经通路的信息输入。而这种对齐可以通过大脑经验学习的机制——突触可塑性得到实现。                   
这项研究的另一位合作者是John David Murray。在参与此项研究时,他曾是汪小京教授实验室的博士后研究员。目前,他作为助理教授在耶鲁大学任教。

*上海纽约大学科研办公室