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2023

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要想学习好大脑节奏很重要


大脑通过其突触——神经元之间的联系——对刺激作出反应时强度的改变来进行学习。现在,在一项挑战传统的有关大脑学习机制的发现中,加州大学洛杉矶分校的神经物理学家发现在改变突触强度时存在最佳的大脑“节奏”,或者说频率。此外,就像收音机的拨盘上的位置一样,每个突触也调整在不同的最佳频率以进行学习。

这些发现为大脑学习背后的机制提供了大一统理论,可能会引发治疗学习障碍的新疗法。

该研究发表在最新一期的《Frontiers in Computational Neuroscience》上。

“很多人存在学习和记忆方面的障碍,除了这些人,我们当中的绝大多数人也不是爱因斯坦或莫扎特,”文章的主要作者、加州大学洛杉矶分校神经病学、神经生物学、物理学及天文学学院的副教授Mayank R. Mehta说。“我们的工作表明,在学习和记忆方面的某些问题是由于节奏没有调整到正确频率造成的。”

突触强度对刺激做出反应发生的改变——称为突触可塑性——是通过叫做“脉冲序列”的一系列随同变化的频率和时间发生的神经信号而诱导的。既往的实验证实,以很高的频率(如每秒100次脉冲)刺激神经元增强了突触之间的联系,而低频率(如每秒1次)刺激减弱了突触间的联系。

这些早期实验利用上百次的连续高频率范围脉冲来诱导可塑性。然而,当大脑在真实的行为任务中激活时,神经元只发出大约10次连续的脉冲,而非几百次。并且在低得多的频率,尤其是在每秒50次脉冲范围内也是如此。

换句话说,Mehta说:“脉冲频率反应出脉冲产生的速度。10次脉冲可以以每秒100次脉冲的频率传递,以可以以每秒1次的频率传递。”

至今,研究人员尚无法进行能刺激更为自然的发生水平的实验。不过Mehta和论文的共同作者、他实验室的前博士后成员Arvind Kumar首次可以通过使用一种精确的数学模型实现这些测定。该模型是他们使用实验数据开发并验证过的。

与以往的猜想相反,Mehta和Kumar发现,当以自然发生的脉冲模式刺激突触时,以最高的频率刺激神经元并不是提高突触强度最好的方法。

例如,当以每秒30次脉冲的频率对突触施以10次脉冲刺激时,其诱导的在强度上的增加要比以每秒100次脉冲的频率对突触施以10次脉冲刺激时高的多。

“基于以往的研究而进行的猜想是,以较高的频率驱动突触,对突触增强或学习的影响与自然发生的低频率相比,即使不超过也至少是同样的好。”

突触偏好使学习最大化的频率,这种认识引导了研究人员基于突触在神经元神上的位置进行最佳频率对比。神经元成树状,核是树的基础,树状突起类似大量的树枝,而突触则类似这些树枝上的叶片。

当Mehta和Kumar基于突触在这些树状突起分支上的位置进行突触学习比较时,他们得到了重大发现:诱导突触学习的最佳频率基于突触的位置发生了变化。突触离神经元细胞体越远,最佳频率越高。

“真是难以置信,当进行学习时,神经元表现的像一个巨大的触须,不同的树状突起分支调整到不同的频率以进行最大化的学习,”Mehta说。

研究人员发现,不仅每个突触具有一个偏好的能达到最佳学习的频率,而且为了达到最好的效果,这个频率还需要完美地节奏化,即精确的计时间隔。即使是在最佳频率,若脱离了节奏,突触学习也大大降低。

他们的研究还表明,一旦一个突触开始学习,其最佳频率就发生变化。换句话说,如果一个从未进行过学习的突触的最佳频率,假设说是每秒30次脉冲,那么在学习后,这个突触的最佳学习频率会变低,例如每秒24次脉冲。因此,学习行为本身改变了突触的最佳频率。

这种学习诱导的“降频”过程对于治疗诸如创伤后紧张症等与遗忘相关的病症有重要的启示,研究人员说。

尽管还需要进一步的研究,但是这些发现增加了这样的可能性:开发药物用来“降频”那些具有学习或记忆障碍认识的大脑节奏,或者将最佳大脑节奏传递给各个突触,让我们更多的人成为爱因斯坦或莫扎特。

“我们已经知道药物和电刺激能够改变大脑节奏,”Mehta说。“我们的发现意味我们可以使用这些工具来将最佳大脑节奏传递给目标联系以提高学习。”

国家科学基金会、国立卫生研究院、白宫基金会以及W.M. Keck基因会为该研究提供了资助。

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