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  据物理学家组织网10月18日报道,由德国哥廷根马普研究院科学家领导的一个研究小组,开发出一种破解连接脑神经线路的运算方法,通过检测总体神经元的活动,能确定两个神经元连接在一起的概率。了解神经元之间如何建立信号线路,有助于人们理解大脑的工作原理。相关论文发表在最近的《公共科学图书馆·计算生物学》上。

  人类大脑约有800亿个神经元,但它们都不能独立作用,而是连接成紧密复杂的神经网。通过神经网上无数神经元的相互作用,交换信号,大脑才能完成它们的海量工作。但要根据脑组织结构直接识别出信号线路,即使只有几千个培养的神经元也几乎不可能。目前有一种比较成熟的方法,能通过钙荧光检测记录神经元动态活动。神经元内钙的浓度与其电活性紧密相关,这样同时记录上千个神经元的活动就成为可能。

  然而,关键问题是神经元通讯速度太高,无法直接观察一个脉冲是怎样发出,并点亮了诸多神经元的,无法区分一个连接是直接形成的,还是经过几个中转站后形成的。西班牙巴塞罗那大学记录了钙荧光检测数据,马普研究院动力学与自组织研究所主任西奥·盖泽尔领导的研究小组开发出一种算法,能从数据中得到神经线路是如何连接的准确信息。

  “我们的方法基于已知的‘转让熵’概念。”论文领导作者、马普研究院奥莱弗·斯戴特说,转让熵是信息论中用到的一种检测方法,能测量定向信息流的流量,也就是说,能算出从某个神经元发出的信号引发另一个神经元活动的可能性。“利用转让熵,这种方法能可靠地把真正的因果联系和表面现象区别开来。”

  研究人员用新方法来模拟钙荧光实验,用神经网模型模拟检测信号,包括钙运动和荧光检测的逼真效果。他们发现,神经网中的因果连接是随时间而变化的,取决于神经网的活动状态。只在活性相对较低的平静阶段,网络中的因果连接才与网络本身的结构一致。利用这一点可以进行预测,在活性更高的阶段,许多神经元同时参与神经会谈,追踪信息路径就比较困难。新的分析方法还显示,单个细胞周围的连接非常集中。

  新方法可广泛用于许多系统中,并让重建神经网络成为可能。研究人员希望能用这种算法绘制神经线路图,在培养的和自然的神经网络中进行大尺度计算。来自不同神经网络的信息,有助于人们理解神经元在何时、何地形成了连接,以及它们选择谈话伙伴的标准。(常丽君)