單個(gè)皮層神經(jīng)元代表一個(gè)學(xué)習(xí)的復(fù)雜對象的整體，而不是部分。
在過去的一個(gè)世紀(jì)中，神經(jīng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了與大腦認(rèn)知功能相關(guān)的各種功能類別的神經(jīng)元。這些細(xì)胞包括方向選擇性細(xì)胞、位置細(xì)胞、網(wǎng)格細(xì)胞和恐懼記憶印跡細(xì)胞。
這些特定功能類別的神經(jīng)元被認(rèn)為是大腦認(rèn)知圖譜的基石。近日，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所的科學(xué)家與國內(nèi)外合作者一起，展示了“整體爆裂”細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，這是一種新型功能類皮層神經(jīng)元，可以將學(xué)習(xí)的復(fù)雜物體表示為整體而不是部分。
一個(gè)由跨學(xué)科研究人員組成的聯(lián)盟利用尖端技術(shù)進(jìn)行了一系列極具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)，包括結(jié)合神經(jīng)元群的雙光子 Ca2+成像和行為小鼠中單個(gè)神經(jīng)元的松散斑塊記錄。研究人員發(fā)現(xiàn)，在接受過聽覺關(guān)聯(lián)訓(xùn)練的小鼠中，聽覺皮層 2/3 層中存在一個(gè)特殊的神經(jīng)元子集，每個(gè)神經(jīng)元都可靠地表現(xiàn)出一種獨(dú)特的高速率、長時(shí)間爆發(fā)放電反應(yīng)模式(瞬時(shí)放電率)。每次試驗(yàn)中訓(xùn)練的聲音的頻率約為 100 Hz，發(fā)射持續(xù)時(shí)間 100—250 ms。
相比之下，未經(jīng)訓(xùn)練的動物的聽覺皮層幾乎不存在具有如此強(qiáng)烈和可靠的突發(fā)放電反應(yīng)的神經(jīng)元，其中典型的神經(jīng)元反應(yīng)是不可靠的單線放電。一組慢性成像實(shí)驗(yàn)表明，爆發(fā)反應(yīng)特性是由于聯(lián)想訓(xùn)練而出現(xiàn)的，但僅發(fā)生在聽覺皮層神經(jīng)元的稀疏子集(~5%)中。
特別有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)可以用不同的和弦訓(xùn)練小鼠，每個(gè)和弦由多個(gè)純音組成。行為反應(yīng)顯示出“整體”特征，即，小鼠僅對受過訓(xùn)練的和弦表現(xiàn)出可靠的行為反應(yīng)，但對任何組成的純音不表現(xiàn)出可靠的行為反應(yīng)，即使所有聲音都以幾乎相同的音量播放。
在用和弦訓(xùn)練的動物中，發(fā)現(xiàn)了一類特殊的神經(jīng)元，稱為整體爆發(fā)(HB)細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞都可靠地僅對受訓(xùn)練的和弦表現(xiàn)出爆發(fā)反應(yīng)，但對其他和弦或單個(gè)組成音調(diào)不表現(xiàn)出爆發(fā)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)精度足以表明，對于這些 HB細(xì)胞，對首選和弦的響應(yīng)強(qiáng)度明顯大于對構(gòu)成和弦的四個(gè)音調(diào)的個(gè)體響應(yīng)強(qiáng)度的總和。
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