反思大脑设计：人类神经元的独特布线挑战了旧有假设

反思大脑设计：人类神经元的独特布线挑战了旧有假设 新研究发现，与小鼠的循环互动不同，人类新皮质神经元单向交流效率更高。这一发现可能会通过模仿人类大脑的连通性来促进人工神经网络的发展。记录多达十个神经元活动的多补丁实验装置。图片来源：Charité | 彭扬帆新皮质是人类智力的关键结构，厚度不足五毫米。在大脑的最外层，200 亿个神经元处理着无数的感官知觉，规划着行动，并构成了我们意识的基础。这些神经元是如何处理所有这些复杂信息的呢？这在很大程度上取决于它们之间的"连接"方式。夏里特神经生理学研究所所长约尔格-盖格（Jörg Geiger）教授解释说："我们以前对新皮层神经结构的理解主要基于小鼠等动物模型的研究结果。在这些模型中，相邻的神经元经常像对话一样相互交流。一个神经元向另一个神经元发出信号，然后另一个神经元再向它发出信号。这意味着信息经常以循环往复的方式流动"。带有机器人机械手的多通道装置，可在两轮实验之间自动冲洗玻璃移液管。图片来源：Charité | 彭扬帆人类的新皮质比小鼠的新皮质更厚、更复杂。尽管如此，研究人员之前一直假设部分原因是缺乏数据它遵循相同的基本连接原则。盖革领导的夏里特研究小组现在利用极其罕见的组织样本和最先进的技术证明了事实并非如此。在这项研究中，研究人员检查了23名在夏里特接受神经外科手术治疗耐药性癫痫患者的脑组织。在手术过程中，医学上有必要切除脑组织，以便观察其下的病变结构。患者同意将这些组织用于研究目的。神经元的旋转重建。图片来源：Charité | Sabine Grosser为了能够观察人类新皮层最外层相邻神经元之间的信号流，研究小组开发出了一种改进版的"multipatch"技术。这样，研究人员就能同时监听多达十个神经元之间的通信。因此，他们能够在细胞停止体外活动前的短时间内进行必要数量的测量，以绘制网络图。他们分析了近 1170 个神经元之间的通信渠道，以及约 7200 个可能的连接。他们发现，只有一小部分神经元之间进行了相互对话。"人类的信息往往是单向流动的。它很少直接或通过循环返回起点，"该论文的第一作者彭扬帆博士解释说。他曾在神经生理学研究所从事这项研究，目前在夏里特神经学系和神经科学研究中心工作。研究小组根据人类网络结构的基本原理设计了一种计算机模拟，以证明这种前向信号流在处理数据方面的优势。来自多配接装置的微量移液管接近单个神经元。图片来源：Charité | Franz Mittermaier研究人员给人工神经网络布置了一项典型的机器学习任务：从口语数字录音中识别出正确的数字。在这项语音识别任务中，模仿人类结构的网络模型比以小鼠为模型的网络模型获得了更多的正确响应。它的效率也更高，同样的成绩在小鼠模型中需要相当于 380 个神经元，而在人类模型中只需要 150 个神经元。"我们在人类身上看到的定向网络结构更强大，也更节省资源，因为更多独立的神经元可以同时处理不同的任务，"彭解释道。"这意味着局部网络可以存储更多信息。目前还不清楚我们在颞叶皮层最外层的发现是否会扩展到其他皮层区域，也不清楚这些发现能在多大程度上解释人类独特的认知能力。"过去，人工智能开发人员在设计人工神经网络时会从生物模型中寻找灵感，但也会独立于生物模型来优化算法。盖格说："许多人工神经网络已经使用了某种形式的前向连接，因为它能为某些任务带来更好的结果。人脑也显示出类似的网络原理，这令人着迷。这些对人类新皮质中具有成本效益的信息处理的洞察，可以为完善人工智能网络提供更多灵感"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

大脑也能双拼？不同老鼠大脑被融在一起 创造出了“科学怪鼠”

大脑也能双拼？不同老鼠大脑被融在一起 创造出了“科学怪鼠” 现实中，将已经失去生命的尸体部位，重新变成一个“鲜活”的人，显然是不可能能的。但科学家最新公布的研究成果中，将两种不同种类的老鼠大脑融在了一起，创造出了RatMouse嵌合老鼠。不仅弥补了单一老鼠本身存在的缺点，而且各项指标正常，预计寿命可活2年。Rat和MouseRat和Mouse，虽然都可以翻译成老鼠，外形也大差不差，但本质上它俩属于不同的动物。一般来说，Rat是指大鼠，是啮齿目、鼠科、大鼠属的老鼠，而Mouse是指小鼠，是小鼠属的，种类不同。外形上，Rat体型更大，体长（不包括尾巴）一般在15-20厘米之间，而Mouse体长（不包括尾巴）只有5-10厘米，成年的Rat体重可达Mouse的10倍。除了大小有差异，身体的其他部位也有差异。例如Mouse尾巴细长，多毛且有鳞片，耳朵也显得很大很圆，而Rat尾巴短一点，粗一点，有鳞片但没毛，耳朵也相对小一点。两者的生活习惯也不同，Rat更喜欢偷吃肉类和奶酪一类的食物，而Mouse更喜欢蔬菜水果。虽然它们都会对人类带来不好的影响，但人类对它们的情感完全不同。体型更大的大鼠Rat被认为是害虫，而Mouse一般是指那些可爱的宠物或者老鼠形象，例如米老鼠和Jerry。不同种类的大脑融合了解完大鼠Rat和小鼠Mouse的区别后，再回来看科学家的大脑融合试验。整个研究，总共发了2篇论文。第一个论文中，研究人员事先将小鼠中负责前脑发育的基因给“去除”了，如果这个小鼠胚胎不作任何处理的话，是不可能发育出前脑的，而且在出生不久就会死亡。后期，研究人员给小鼠胚胎注入了大鼠的干细胞，意外的是，大鼠的干细胞居然修复了小鼠胚胎，让小鼠长出了前脑，这个前脑是由大鼠细胞构成。第二个论文中，研究人员往正在发育的小鼠囊胚注入细菌毒素，目标是破坏和嗅觉相关的脑部组织，此时小鼠失去嗅觉，发育成熟后是无法找到笼子里的饼干。随后，研究人员又将大鼠干细胞注入小鼠囊胚里，再将嵌合的囊胚植入小鼠母体。结果发现，胚胎的大鼠细胞和小鼠细胞同时发育，且大鼠细胞再次“弥补”了小鼠没有嗅觉的缺陷，出生后可以很快找到笼子里的饼干。两个试验，最后小鼠都正常生活，寿命也属于正常范围内。这意味着，用一种动物的大脑来帮助另一种动物，是可行的！这将对研究人类某些脑部疾病是非常有帮助的。最后其实，早在2022年，就有科学家成功将人类大脑组织注入大鼠的大脑中。两者结合的效果出奇的好，可以说是充分融合了，注入的人脑组织已经成为了大鼠的一部分，大鼠的某些特定行为，人脑组织会给出反馈。这说明，仅仅是不同物种大脑结合，并不难，难的是无法预估两者的融合有多深！这也是大多人反对不同物种嵌合试验的原因，因为不知道会造出什么生命。万一电影里出现的“怪物”，走进现实，又该怎么办？ ... PC版： 手机版：

研究人员发现神经元能在我们说话前预测我们要说什么

研究人员发现神经元能在我们说话前预测我们要说什么 麻省总医院（MGH）的研究人员最近进行了一项研究，利用先进的大脑记录方法揭示了人脑中神经元的协作功能，从而使人们能够将自己的想法形成文字，并随后用语言表达出来。这些发现共同提供了一幅详细的地图，显示辅音和元音等语音如何在说话之前就在大脑中呈现，以及在语言生成过程中它们是如何串联在一起的。这项发表在《自然》（Nature）杂志上的研究揭示了大脑神经元对语言生成的影响，这将有助于改善对言语和语言障碍的理解和治疗。资深作者、麻省总医院和哈佛医学院神经外科副教授、医学博士齐夫-威廉姆斯（Ziv Williams）说："虽然说话通常看起来很容易，但我们的大脑在自然说话的过程中会执行许多复杂的认知步骤包括想出我们想说的话、计划发音动作以及发出我们想要的声音。我们的大脑以惊人的速度完成了这些壮举在自然语音中大约每秒三个单词，而且错误极少。然而，我们是如何精确地完成这一壮举的一直是个谜"。神经元记录技术的突破威廉姆斯和他的同事利用一种名为"神经像素"（Neuropixels）探针的尖端技术，记录了人脑前额叶皮层单个神经元的活动。他们还发现，大脑中存在着专门负责说话和听力的独立神经元群。在人体中使用 Neuropixels 探头是 MGH 的首创。威廉姆斯说："这些探针非常了不起它们比人类头发丝的宽度还小，却拥有数百个通道，能够同时记录数十甚至数百个单个神经元的活动，因此，使用这些探针可以提供前所未有的新见解，让我们了解人类神经元是如何集体行动的，以及它们是如何共同产生语言等复杂的人类行为的。"威廉姆斯曾与麻省总医院和哈佛医学院神经学教授、医学博士悉尼-卡什（Sydney Cash）合作开发这些记录技术，后者也是这项研究的负责人。解码语音要素这项研究显示了大脑中的神经元是如何代表构建口语词汇所涉及的一些最基本要素的从简单的语音（称为音素）到将其组合成更复杂的字符串（如音节）。例如，"狗"（dog）一词需要辅音"da"，它是通过舌头接触牙齿后面的硬腭产生的。通过记录单个神经元，研究人员发现，某些神经元会在这个音素被大声说出之前变得活跃。其他神经元则反映了构词过程中更复杂的方面，如将音素具体组合成音节。研究人员利用他们的技术表明，可以在个人发音之前可靠地确定他们会说的语音。换句话说，科学家可以在实际说话之前预测辅音和元音的组合。利用这种能力，可以制造出能够产生合成语音的人工假肢或脑机接口，这将使一系列病人受益。这项研究的共同作者阿尔琼-卡纳（Arjun Khanna）说："在多种神经系统疾病中都能观察到语音和语言网络的中断，包括中风、脑外伤、肿瘤、神经退行性疾病、神经发育障碍等等。我们希望更好地了解实现语音和语言的基本神经回路将为开发这些疾病的治疗方法铺平道路。"研究人员希望通过研究更复杂的语言过程来扩展他们的工作，从而研究人们如何选择他们想说的话，以及大脑如何将词语组合成句子，向他人传达个人的思想和情感等相关问题。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家意外制造出六足小鼠胚胎

科学家意外制造出六足小鼠胚胎 研究人员在小鼠发育早期关闭一个基因，最终意外地得到了六足哺乳动物胚胎，并取代了其外生殖器。大多数四肢动物的外生殖器和后肢都是从相同的原始结构发育而来的。 本次实验中被关闭的 Tgfbr1 基因参与了一条信号通路，为正在形成的身体提供从躯干到尾部的方向。这条通路为正在发育的胚胎细胞提供了“创造后肢”或“外生殖器”的指令。与对照小鼠相比，团队仔细观察了突变小鼠腿部组织中的 DNA，并发现染色质发生了重塑，控制细胞 DNA 访问的蛋白质已转换为“腿部”结构，而不是“生殖器”结构。该项研究发表在《自然通讯》杂志上。

解码小鼠的思维：索尔克研究所具有里程碑意义的表观基因组大脑图谱

解码小鼠的思维：索尔克研究所具有里程碑意义的表观基因组大脑图谱 这些工作由美国国立卫生研究院的"通过推进创新神经技术进行大脑研究计划"（BRAINInitiative）负责协调，该计划的最终目标是为哺乳动物的大脑绘制一幅全新的动态图像。索尔克教授、遗传学国际理事会主席、霍华德-休斯医学研究所研究员约瑟夫-埃克（Joseph Ecker）说："通过这项工作，我们不仅获得了关于哪些细胞构成了小鼠大脑的大量信息，还了解了这些细胞内的基因是如何被调控的，以及这些基因是如何驱动细胞功能的。当利用这个基于表观基因组的细胞图谱，开始研究已知会导致人类疾病的基因变异时，就会对哪些细胞类型在疾病中可能最脆弱有了新的认识"。美国国立卫生研究院大脑计划于 2014 年启动，已为研究人员提供了 30 多亿美元的资金，用于开发变革性技术并将其应用于脑科学。2021年，得到"脑神经启示录计划"（BRAIN Initiative）支持的研究人员包括索尔克（Salk）的团队公布了小鼠大脑图谱的初稿，该图谱开创了描述神经元特征的新工具，并将这些工具应用于小鼠大脑的小切片。今年早些时候，许多相同的技术被用于绘制最初的人脑图谱。在最新的工作中，研究人员扩大了研究细胞的数量和小鼠大脑的区域，并使用了过去几年才出现的新的单细胞技术。左上图：解剖小鼠大脑的三维效果图，根据解剖的脑区划分为不同的部分；左下图：小鼠大脑的三维效果图，根据解剖的脑区划分为不同颜色的部分（黄色、蓝色、水蓝色、绿色、粉色、橙色、棕色、红色）。右上角：小鼠大脑的垂直切片，不同颜色（橙色、绿色、蓝色、水蓝色、红色、紫色）代表不同细胞类型，代表特定细胞类型在该切片中的空间位置；右下角：小鼠大脑的垂直切片，不同颜色（橙色、绿色、蓝色、水蓝色、红色、紫色）代表不同细胞类型，代表特定细胞类型在该切片中的空间位置：多色圆圈（黄色、蓝色、水蓝色、绿色、粉红色、橙色、棕色、红色）代表根据表观基因组剖析在小鼠整个大脑中发现的细胞类型的数量和多样性。资料来源：索尔克研究所全脑分析和公众可及性两篇新论文的资深作者爱德华-卡拉韦教授说："这是整个大脑的研究，以前从未有过。观察整个大脑会产生一些想法和原理，而这些想法和原理是你每次观察一个部分所无法了解的"。为了帮助其他研究小鼠大脑的研究人员，新数据通过一个在线平台公开发布，不仅可以通过数据库进行搜索，还可以使用人工智能工具 ChatGPT 进行查询。索尔克研究教授玛格丽塔-贝伦斯（Margarita Behrens）补充说："将小鼠作为模式生物的人非常多，这为他们在涉及小鼠大脑的研究中提供了一个非常强大的新工具。"这期《自然》特刊共刊登了 10 篇美国国立卫生研究院大脑计划（NIH BRAIN Initiative）的文章，其中 4 篇由索尔克研究人员合著，描述了小鼠大脑的细胞及其连接。这四篇论文中的亮点包括单细胞 DNA 甲基化图谱为了确定小鼠大脑中的所有细胞类型，索尔克研究人员采用了一次分析一个脑细胞的尖端技术。这些单细胞方法既研究细胞内DNA的三维结构，也研究DNA上附着的甲基化学基团的模式这是基因受细胞控制的两种不同方式。2019年，埃克的实验室小组开创了同时进行这两项测量的方法，这让研究人员不仅能研究出不同细胞类型中哪些基因程序被激活，还能研究出这些程序是如何开启和关闭的。研究小组发现了基因在不同细胞类型中通过不同方式被激活的例子，就像用两个不同的开关打开或关闭电灯一样。了解了这些重叠的分子回路，研究人员就能更容易地开发出干预脑部疾病的新方法。埃克实验室的博士后研究员、本文第一作者刘汉清说："如果你能了解这些细胞类型中所有重要的调控元素，你也就能开始了解细胞的发育轨迹，这对了解自闭症和精神分裂症等神经发育疾病至关重要。"研究人员还对大脑的哪些区域含有哪些细胞类型有了新的发现。在对这些细胞类型进行编目时，他们还发现脑干和中脑的细胞类型远远多于大得多的大脑皮层这表明大脑的这些较小部分可能进化出了更多的功能。单细胞染色质图另一种间接确定DNA结构以及细胞正在积极利用哪段遗传物质的方法是测试哪些DNA可以被其他分子结合。加州大学圣地亚哥分校的任兵（Bing Ren）领导的研究人员（包括索尔克的埃克和贝伦斯）利用这种称为染色质可及性的方法，绘制了来自117只小鼠的230万个脑细胞的DNA结构图。然后，研究小组利用人工智能，根据这些染色质可及性模式，预测DNA的哪些部分是细胞状态的总体调控因子。他们发现的许多调控元件都位于DNA片段中，而这些DNA片段已经与人类脑部疾病有牵连；关于哪些细胞类型使用哪些调控元件的新知识有助于确定哪些细胞与哪些疾病有牵连。神经元投射和连接在贝伦斯、卡拉韦和埃克共同撰写的另一篇论文中，研究人员绘制了整个小鼠大脑神经元之间的连接图。然后，他们分析了这些图谱与细胞内甲基化模式的对比。这让他们发现了哪些基因负责引导神经元到达大脑的哪些区域。埃克实验室的博士后研究员、该论文的共同第一作者周景天（音译）说："我们发现了某些规则，这些规则根据细胞的DNA甲基化模式决定细胞投射到哪里。"神经元之间的连接对其功能至关重要，而这套新规则可能有助于研究人员研究疾病中出现问题的原因。比较小鼠、猴子和人类的运动皮层运动皮层是哺乳动物大脑中参与计划和执行自主肢体运动的部分。贝伦斯、埃克和任领导的研究人员研究了来自人类、小鼠和非人灵长类运动皮层的 20 多万个细胞的甲基化模式和 DNA 结构，以更好地了解运动皮层细胞在人类进化过程中的变化。他们能够确定特定调控蛋白的进化与基因表达模式进化之间的相关性。他们还发现，近 80% 的人类特有的调控元件是可转座元件DNA 的移动小段，可以很容易地改变在基因组中的位置。"我认为，总的来说，这一整套研究为其他人未来的研究提供了蓝图，"索尔克分子神经生物学文森特-科茨讲座教授卡拉韦说。"研究特定细胞类型的人现在可以查看我们的数据，了解这些细胞的所有连接方式以及它们的所有调控方式。这是一种资源，可以让人们提出自己的问题"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

神经科学家揭示大脑如何决定记忆内容

神经科学家揭示大脑如何决定记忆内容 最近的研究发现，海马体中的"锐波涟漪"是一种大脑机制，它决定了哪些日常经历会成为永久记忆，闲暇时的显著涟漪会导致睡眠中的记忆巩固。神经科学家在过去几十年中发现，大脑会在当晚的睡眠中将一些日常经历转化为持久记忆。最近的一项研究介绍了一种机制，它能决定哪些记忆足够重要，可以保存在大脑中，直到睡眠将其永久固化。在纽约大学格罗斯曼医学院研究人员的领导下，这项研究围绕着被称为神经元的脑细胞展开，这些神经元通过"发射"或使其正负电荷的平衡发生波动来传输编码记忆的电信号。在一个名为海马体的大脑区域中，大群神经元有节奏地循环发射信号，在几毫秒内产生信号序列，这些信号可以编码复杂的信息。这些向大脑其他部分发出的"呼喊"被称为"尖波涟漪"，代表了 15% 的海马神经元近乎同时发射的信号，因其活动被电极捕捉并记录在图表上时所呈现的形状而得名。过去的研究将波纹与睡眠中记忆的形成联系在一起，而最近发表在《科学》杂志上的这项新研究发现，紧接着5到20个尖锐波纹的白天事件在睡眠中会被更多地重放，从而巩固为永久记忆。而很少或没有尖锐波纹的事件则无法形成持久记忆。该研究的资深作者、纽约大学朗贡卫生院神经科学与生理学系比格斯神经科学教授、医学博士 György Buzsáki 说："我们的研究发现，尖锐波纹是大脑用来'决定'保留和丢弃什么的生理机制。"这项新研究基于一个已知的模式：包括人类在内的哺乳动物会体验世界片刻，然后暂停，再体验一会儿，然后再暂停。研究报告的作者说，在我们关注某件事情之后，大脑计算往往会切换到一种"闲置"的重新评估模式。这种瞬间停顿在一天中都会发生，但最长的空闲期发生在睡眠中。Buzsaki 及其同事之前已经证实，当我们积极探索感官信息或移动时，不会出现锐波纹波，只有在之前或之后的空闲停顿期间才会出现锐波纹波。目前的研究发现，尖锐的波状三角形代表了觉醒后这种停顿期间的自然标记机制，标记的神经元模式会在任务后的睡眠中重新激活。重要的是，我们知道尖锐的波状纹是由海马"位置细胞"按照特定顺序发射的，我们进入的每一个房间和老鼠进入的每一个迷宫臂都是由这种细胞编码的。对于被记住的记忆，同样的细胞会在我们睡觉时高速发射，"每晚回放记录的事件数千次"。这个过程加强了相关细胞之间的联系。在本次研究中，研究小组通过电极跟踪了小鼠连续运行迷宫的过程，这些海马细胞群尽管记录的经历非常相似，但却随着时间的推移而不断变化。这首次揭示了在迷宫运行过程中，涟漪在清醒时暂停，然后在睡眠时重放。当小鼠在每次跑完迷宫后停下来享用含糖食物时，通常会记录到尖锐的波状瘫痪。作者说，小鼠食用奖励后，大脑就会从探索模式切换到闲置模式，从而出现锐波瘫痪。通过使用双面硅探针，研究小组能够在迷宫运行期间同时记录动物海马中的多达 500 个神经元。这反过来又带来了挑战，因为独立记录的神经元越多，数据就会变得异常复杂。为了获得对数据的直观理解、可视化神经元活动并形成假设，研究小组成功地减少了数据的维数，在某种程度上就像把三维图像转换成平面图像一样，而且没有失去数据的完整性。第一作者、布扎基实验室的研究生杨婉楠（Winnie）博士说："我们努力将外部世界排除在外，研究哺乳动物大脑先天和潜意识中将某些记忆标记为永久记忆的机制。为什么会进化出这样一个系统仍然是个谜，但未来的研究可能会揭示出一些设备或疗法，它们可以调整尖锐的波纹，从而改善记忆，甚至减少对创伤事件的回忆"。编译来源：ScitechDaily参考文献:《海马体锐波涟漪对记忆经验的选择》，作者：Wannan Yang、Chen Sun、Roman Huszár、Thomas Hainmueller、Kirill Kiselev 和 György Buzsáki，2024 年 3 月 28 日，《科学》。DOI: 10.1126/science.adk8261 ... PC版： 手机版：