人类大脑计算能力、大脑计算原理

编译：李一笑

加州大学洛杉矶分校科学家于3 月9 日发表的一项新研究，编号为《Science》，可能会改变科学家对大脑如何工作的理解，并可能带来治疗神经系统疾病的新方法，并开发出“会思考”的、更像人类的计算机。

神经元电信号传导

该研究的重点是树突的结构和功能，树突是神经元的组成部分。神经元是构成神经系统结构和功能的基本单位。它们由细胞体和细胞突起组成。细胞体产生短暂的电脉冲“尖峰”以相互连接并传输信号。科学家普遍认为，细胞体产生电脉冲激活树突，树突被动地向其他神经元的细胞体发送电信号，但这从未得到证实。这个过程是记忆形成和存储的基础。科学家们也普遍认为传导电信号是树突的主要功能。

树突可以产生电脉冲

但加州大学洛杉矶分校的研究小组发现，树突不仅仅是被动的通信管道。他们的研究发现，在可以自由移动的动物中，树突具有电活性，产生的电脉冲比细胞体多近10 倍。这一发现挑战了科学家长期以来的信念，即细胞体产生的电脉冲是感知、学习和记忆形成的主要形式。

“树突构成了神经组织的90% 以上，”该研究的通讯作者、加州大学洛杉矶分校神经科学家Mayank Mehta 说。 “知道树突比细胞体更活跃，从根本上改变了我们对大脑如何计算信息的理解。它可以为理解和治疗神经系统疾病以及开发像人脑一样工作的计算机铺平道路。” ”

树突也会产生潜在的波动

研究人员还发现，除了产生电脉冲外，树突还会形成较大的电位波动。电势的转移有一个全有或全无的规则。除了产生电脉冲外，树突还产生大幅度且缓慢变化的电势，这表明树突能够进行模拟计算。

大脑比之前研究测量的活跃程度至少高出10 倍

梅塔表示，由于树突的数量比神经中枢多了近100 倍，大量树突尖峰的出现可能意味着大脑的计算能力比之前想象的要高100 倍。

科学家们将老鼠放入一个大迷宫中，让它们自由移动，四天后测量了老鼠的树突活动。测量是从后顶叶皮层进行的，后顶叶皮层在大脑的运动规划中起着重要作用。研究人员发现，树突比细胞体更活跃，当老鼠睡觉时，树突产生的尖峰数量是细胞体的五倍，而当老鼠运动时，树突的活跃程度是细胞体的十倍。

树突为大脑研究开辟了新途径

通过观察细胞体来了解大脑如何工作，为许多医学和科学问题提供了框架，即如何构建计算机来诊断和治疗疾病。但梅塔表示，该框架是基于细胞的，并且过程是数字化的。

梅塔说：“我们的发现表明，这种决定在树突中比在体细胞中更频繁地做出，而且这种计算不仅是数字的，而且是模拟的。” “由于技术困难，以前对大脑功能的研究主要集中在躯体上。但我们发现了神经元的秘密生命，即它们的树突，这可能从根本上改变我们对神经元如何执行计算的理解。”

参考：

1. 研究人员发现，大脑比之前测量的活跃10倍

2. 自由行为大鼠皮质树突膜电位和尖峰的动态