我们的大脑是一个由数万亿个神经元和更多突触构成的复杂网络。长期以来，神经科学领域有一个普遍的共识：大脑皮层中的突触，即神经元之间传递信息的微小连接点，被认为是高度不可靠的。它们只有在约10%到30%的时间内能成功传递信号。然而，一项突破性的新研究挑战了这一传统观点，揭示了大脑皮层突触的信号传递实际上比我们想象的要可靠得多。

突触：大脑信息传递的基石

突触是神经元之间传递信息的基本结构。一个神经元的轴突末端（突触前末梢）通过释放神经递质到突触间隙，这些递质被另一个神经元（突触后神经元）的受体接收，从而将电信号转化为化学信号再转换回电信号，完成信息传递。

传统的不可靠性观点认为，这种信号传递经常“失火”，即神经递质的释放不够，不足以激活突触后神经元。这种被认为是固有的“噪音”或“随机性”，被认为在信息处理中起到某种作用。

重新评估：多重释放位点提升可靠性

这项新研究的关键发现在于对突触结构和功能的深入观察。科学家们通过高分辨率的成像技术和精密的电生理记录，发现：

1. 多个“释放位点”： 许多突触前末梢（特别是所谓的bouton）并不只有一个神经递质释放的“位点”，而是拥有多个潜在的活性释放位点。这就像一个水龙头有多个出水口。

2. “或”门的逻辑： 当一个突触前神经元被激活并释放神经递质时，即使只有一个释放位点成功释放了足够的递质，也能有效激活突触后神经元。这类似于电子学中的“或门”逻辑——只要有一个输入为真，输出就为真。

3. 可靠性显著提升： 这种多个释放位点的存在，大大增加了神经递质成功传递的概率。研究表明，在这种“多个机会”的机制下，突触传递的可靠性可以高达 90%或更高，远超之前预期的10-30%。

4. 动态调整： 此外，突触的可靠性可能不是固定不变的，而是可以根据神经元的活动状态和经验进行动态调整。在神经元高频放电时，这种可靠性尤其重要。

这项研究揭示了大脑皮层突触如何通过巧妙的结构设计，克服了单个释放事件的内在随机性，实现了高效且可靠的信息传递。

突破性发现的深远意义

这项关于突触可靠性的新认知，对神经科学领域具有多方面的深远影响：

1. 重塑对信息处理的理解： 如果突触比预期更可靠，那么大脑在处理和存储信息时，可能比我们原先认为的更精确、更高效。这可能会改变我们对大脑编码、学习和记忆机制的理解。

2. 神经回路建模： 大脑回路的计算模型和模拟需要更精确地反映突触的真实行为。这项发现将促使科学家们更新现有的神经网络模型，使其更接近真实的生物学机制。

3. 神经系统疾病研究： 许多神经系统疾病，如癫痫、精神分裂症、阿尔茨海默病，都与突触功能障碍有关。如果这种可靠性机制被破坏，可能会导致信息传递错误，进而引发疾病。理解正常突触的高可靠性，有助于我们更好地诊断和治疗这些疾病。

4. 类脑计算与人工智能： 借鉴大脑突触实现高可靠性的机制，可以为开发更鲁棒、更节能的类脑计算系统和人工智能算法提供新的思路。

这项研究提醒我们，即使是最基础的生物学机制，也可能蕴藏着我们尚未完全理解的精妙之处。

延伸阅读：

• 突触可塑性： 了解突触如何通过改变其连接强度来学习和记忆信息，例如长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）。

• 神经递质和受体： 深入了解不同类型的神经递质（如谷氨酸、GABA）及其受体在大脑信息传递中的作用。

• 神经回路与认知： 探索神经元通过突触连接形成复杂回路，并支持各种认知功能（如感知、注意、决策）的机制。