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研究人员通过单个神经元的测量信号，成功获取了关于神经回路活动的重要信息。这项研究进一步探讨了大脑如何在“临界”状态下运作——一种介于有序与无序之间的状态，被认为有利于信息传输和处理。这一发现对理解大脑的复杂功能具有重要意义。

单个神经元记录的科学意义

单个神经元能接收到多少关于整体神经回路活动的信息，是神经科学的基本问题。华盛顿大学圣路易斯分校物理学教授Ralf Wessel实验室的研究人员利用先进的神经技术和物理启发式数据分析，探索大脑中的感觉信息处理。研究生James K. Johnson指出，在临界系统中，放大或缩小都能观察到相同的统计模式，这种属性被称为无标度性或分形性。临界性可以解释大脑中广泛观察到的分形活动的起源。

单细胞记录技术的突破

研究人员希望将观察尺度缩小到单个神经元。此前临界性的证据主要来自更大尺度的记录，而单细胞尺度被认为是研究的“最后边界”。通过更新并掌握以往的技术，他们记录了单个神经元内部的电化学输入波动。在活体龟脑内进行超过30分钟的稳定记录，比常规时间更长。这种记录方式通过在细胞体上放置一个含有电极的微小玻璃管，刺入细胞并使玻璃管成为细胞膜的一部分，从而记录离子交换引起的电压变化。

揭示神经元临界状态的新发现

研究人员发现，当神经元接收输入时，记录中会出现类似“昙花一现”或“成堆”的波动。通常，神经科学界关注平均值或总结性测量，而波动常被建模为纯噪声。该团队对这些波动的几何形状进行了与神经元雪崩相同的统计分析，结果显示单细胞数据与临界系统的预测一致，其效果几乎与使用大型阵列数据时相当。

处于临界点为信息传输和处理提供了许多优势，可能是大脑功能弹性、适应性和可变性的基础。初级视觉皮层中的神经元虽然不会以完全相同的序列放电两次，但却能两次看到相同的事物。这项研究促进了对神经元涌现属性和协调相关的物理理论的理解。

研究的意义与展望

如果研究社区的假设正确，那么大脑将是第一个展现自组织临界性的常见自然系统。这一发现不仅为神经科学提供了新的理论支持，也为理解大脑的复杂功能和信息处理机制提供了重要的科学依据。

该研究发表在《Journal of Neuroscience》上。

资料来源：圣路易斯华盛顿大学

原始研究 DOI：10.1523/JNEUROSCI.3163-18.2019