Only Perception: 腦中的「迷你神經電腦」

2013-10-28

腦中的「迷你神經電腦」

Neuroscientists discover new 'mini-neural computer' in the brain
http://medicalxpress.com/news/2013-10-neuroscientists-mini-neural-brain.html

2013.10.27

樹突（Dendrites），樹枝般的神經元投射（projections），一度被視為腦中的被動連線（passive wiring）。不過現在北卡羅萊納大學 Chapel Hill 分校的研究者證明，除了將資訊從某個神經元傳遞到下一個神經元之外，樹突能做的事情更多。它們能主動處理資訊，倍增大腦的運算力。

"忽然間，那好像腦袋的處理能力比我們原本所想的要大上許多，" Spencer Smith, PhD 表示，UNC 醫學院的助理教授。

其團隊的發現，發表在 10/27 當期的 Nature 期刊上，可能改變科學家對存在已久的、腦中神經迴路如何作用的科學模型的思考方式，也幫助研究者更了解神經失調。

"想像你對一小部份的外星技術進行逆向工程，而你原先以為是簡單接線的東西，結果是能計算資訊的電晶體，" Smith 說。"這發現就像那樣。光想到可能的影響就令人感到相當振奮。"

軸突（Axons）是傳統上會產生電峰值（electrical spikes）的地方，但許多支持軸突尖峰電位（axonal spikes）的相同分子也出現在樹突中。先前使用解剖腦組織的研究已經證明，突觸能利用這些分子，讓它們自己產生電尖峰電位，不過這些研究並不清楚正常的腦細胞活動是否涉及這些樹突尖峰電位（dendritic spikes）。例如，樹突尖峰電位是否涉及到我們如何看東西嗎？

Smith 的團隊發現，答案是：是的。樹突有效地扮演著「迷你神經電腦」，自行主動處理神經的輸入資訊。

要直接證明這件事，需要一系列錯綜複雜的實驗，那花了幾年的時間，而且橫跨二大洲，始於資深作者 Michael Hausser 位於 University College London 的實驗室，然後在 Smith 與 Ikuko Smith, PhD, DVM 於北卡羅萊納大學設立他們自己的實驗室之後完成。他們使用膜片鉗電生理學（patch-clamp electrophysiology）將一微小的、裝滿生理溶液的玻璃移液管電極（glass pipette electrode）附著到老鼠腦中的某個神經樹突上。這個構想是要直接「傾聽」電訊號處理。

"將移液器（pipette，移液管、滴管）附著到樹突上是一種極具技術性的挑戰，" Smith 說。"你無法從任意方向接近樹突。而且你無法看見樹突。所以你得在全盲的狀態下做這件事。那猶如你在只能看見一條魚的電氣軌跡的情況下釣魚。" 而且你無法使用釣餌。"你只能一試再試，並看看你是否能擊中某個樹突，" 他說。"在絕大多數的情況下，你辦不到。"

不過 Smith 建立他自己的雙光子顯微鏡（two-photon microscope）系統，使事情更加容易。

一旦移液器附著到某個樹突上，Smith 的團隊從麻醉老鼠腦中的個別突觸取得電氣紀錄並喚醒老鼠。當老鼠看到電腦螢幕上的視覺刺激時，研究者在樹突內看見一種不尋常的電氣訊號圖樣（pattern）-- 尖峰電位的爆發。

Smith 的團隊接著發現，依視覺刺激而定，樹突尖峰電位會選擇性地出現，這指出樹突會處理關於動物看到什麼的資訊。

為了提供他們發現的視覺證據，Smith 的團隊將神經元裝滿鈣染料（calcium dye），那提供尖峰電位的光學讀取。這揭露當樹突發出尖峰電位時，神經元的其他部份則否，這意味此尖峰電位乃突觸內部的本地端處理結果。

研究共同作者 Tiago Branco, PhD，創造出神經元的生物物理、數學模型，並發現已知的機制可支持藉由電氣方式記錄下來的樹突尖峰電位，更進一步驗證資料的詮釋。

"所有的資料都指向相同的結論，" Smith 說。"樹突並非感覺驅動輸入（sensory-driven input）的被動整合者（passive integrators）；它們似乎也成了一種計算單元。"

他的團隊計畫要探索這種新發現的樹突角色在大腦迴路中扮演什麼角色，尤其是在 Timothy syndrome（提摩太症候群）的症狀中，在其中，樹突訊號的整合會走偏。

※ 相關報導：

＊ Dendritic spikes enhance stimulus selectivity in cortical neurons in vivo
http://dx.doi.org/10.1038/nature12600