撰文：艾米丽·库克             2024年1月18日

这项新的研究表明，几种动物的大脑中以同样的方式形成了罕见的、极其强大的联系，这可能会提高我们对人脑的理解。（图片：Andriy Onufriyenko通过盖蒂图片社）

一项新的研究证实，老鼠、昆虫或蠕虫——在所有这些生物中，相同的原理引导大脑神经元之间形成超强的连接。这项研究有助于验证这样一种观点，即无论物种如何，大脑网络的形成都有一个普遍的机制。

不同的动物大脑中的神经元数量不同，从蠕虫的数百个到人类的数百亿个不等。神经元之间形成连接，称为突触，使信息能够以电信号的形式从大脑的一个区域传递到另一个区域。这些连接共同形成了一个网络，使动物能够发挥作用并处理有关世界的信息。

这种网络是灵活的，它总是在变化和重新安排。神经元之间的一些连接相当弱，因此很容易被破坏和替换，而一小群神经元则非常强大。这些强连接被称为“重尾”连接，因为在大脑连接密度从低到高的图上，它们是标度的密集端绘制的异常值，就像动物的尾巴一样。

与大脑中数量远远超过它们的较弱连接相比，这些重尾连接在控制学习和记忆等主要认知过程中，发挥着更大的作用。然而，据周三（1月17日）发表在《自然-物理学》杂志上的这项新研究的作者称，尚不清楚这些强大的联系是通过简单、已知的网络组织原理形成的，还是通过特定物种的机制形成的。

英国诺丁汉大学神经信息学教授马库斯·凯泽没有参与这项研究，他在一封电子邮件中告诉《生活科学》：“一段时间以来，人们知道神经元连接的神经元数量变化很大，网络中的一些神经元是高度连接的中枢。”

“然而，在不同物种之间，连接的重量（强度）分布也有很大差异，”他说。研究小组想看看这种变异，是否源于每个物种大脑连接方式的差异。

作者基于小鼠、果蝇和两种蠕虫的大脑，分析了被称为连接体的神经元之间的接线图。他们通过用专门的成像技术，分析组织样本来绘制这些图。

为了推断重尾连接是如何形成的，他们利用连接体的数据，基于神经元自组织原理，即Hebbian可塑性，开发了一个数学模型。这一原理可以用“神经元一起放电，连接在一起”这句话来概括。换句话说，当一个神经元通过化学信息反复激活另一个神经元时，两个细胞之间的联系会变得更强。这一基本原则是我们学习和形成记忆的基础。

然而，之前的一些研究表明，仅凭Hebbian动力学，可能无法完全解释动物重新连接突触，和加强神经元之间连接的能力。

作者的模型证实，Hebbian可塑性解释了，他们研究的所有动物中重尾连接的形成，而不需要针对每个物种的额外机制。研究人员说，除了解释重尾连接外，这一原理还可能引导神经元根据其活动水平，聚集在一起并形成紧密结合的群体。

他们在一份声明中表示，为了使他们的模型更像真实的大脑，作者确保他考虑了网络组织中的一些随机性。这项新研究的第一作者克里斯多夫.林恩在另一份声明中表示，他们认为神经元通常会因其活动，而重新排列和连接，就像在Hebbian动力学中一样，或者是随机的，突触有时会在没有明确原因的情况下断开或形成。

凯瑟说：“总的来说，这是解释生物神经网络中突触重量（神经元之间连接的强度）变化的有希望的第一步。”

然而，这篇文章的局限性可能是，作者只将他们模型中的一些特征与真实的神经元网络进行了比较，他说。例如，他们用他们的模型测试了聚类，但没有测试你期望在具有重尾连接的大脑网络中看到的其他特征，他说。其中包括模块——神经元的密集连接区域——和短的总路径长度，即细胞之间的距离。

作者在这项工作中没有研究人类大脑，但他们认为研究这一看似普遍的网络发展原理，可以帮助科学家更好地了解，包括人类在内的许多动物的大脑结构和功能。

“这些发现可以帮助我们更好地了解人脑中各种联系是如何产生的，以及大脑在受伤后是如何愈合和恢复的，”国家心理健康研究所的首席研究员迪特玛.佩莱子在一封电子邮件中告诉《生活科学》，他没有参与这项研究。