@ 2020.01.12 , 13:00

科学家发现单个人脑神经元可以执行异或运算

科学家发现了人脑中前所未知的细胞信息传递形式。令人兴奋的是,这一发现暗示,我们的大脑具有比我们意识到的更强大的计算功能。

来自德国和希腊的研究人员发现,大脑外部皮层细胞有一种机制,可以自行产生新的“渐变”信号,该信号可以为单个神经元提供实现其逻辑功能的独特方式。

借助从癫痫患者病灶处切除的组织切片,测量其中的电化学活动并使用荧光显微镜分析其结构,神经外科医生发现,皮层中的单个细胞不仅使用普通的钠离子来发送信息,而且还用到了钙离子。

带正电的离子组合引发了从未见过的电压波,称为钙介导的树突动作电位或dCaAP。

将大脑(尤其是人类的大脑)与计算机进行比较,虽说类比具有局限性,但在某些方面,确实非常方便。

两者都借助电压来执行各种操作。在计算机中,电子以相当简单的方式流过晶体管。在神经元中,信号的载体是打开和关闭通道形成的波,这些通道用以在细胞内外交换钠、氯和钾等带电粒子。这种流动离子的脉冲被称为动作电位。

神经元代替晶体管,在被称为树突的神经分支末端以化学活动的形式完成信息传递。

洪堡大学神经科学家Matthew Larkum说:“树突对于理解大脑至关重要,因为它们是决定单个神经元计算能力的核心。”

树突是我们神经系统的红绿灯。如果动作电位足够显著,则可以将电活动传递给其他神经。这是我们大脑的逻辑基础——以两种形式共同传达的电压波动,相当于逻辑电路中的AND和OR。

大脑皮层中较深的第二层和第三层特别厚,挤满了执行与感觉、思想和运动控制相关的高阶功能分支。

研究人员将注意力放到了这些皮层的组织上,把细胞连接到被称为树突状细胞膜片钳的设备上,在每个神经元上发送活动电位,记录其信号。

Larkum说:“有一个'尤里卡'时刻,我们第一次直观看到了树突状细胞的动作电位。”

为了确保这并非癫痫病患者独有的症状,他们对从脑肿瘤中提取的少量样本进行了仔细检查。

尽管对大鼠进行了类似的实验,但他们观察到的人脑神经元的信号却与之大不相同。

更重要的是,当给细胞注入被称为河豚毒素的钠通道阻滞剂时,人脑细胞仍然有电位活动。在进一步阻断钙离子通道后,细胞才安静下来。

寻找钙介导的动作电位已然足够有趣,而对钙离子信号的建模,又带来了更大的惊喜。

除了逻辑门AND和OR外,这些单个神经元还可以充当“异或”运算门。

异或(xor)是一个数学运算符。它应用于逻辑运算。异或的数学符号为“⊕”,计算机符号为“xor”。其运算法则为:
a⊕b = (?a ∧ b) ∨ (a ∧?b)
如果a、b两个值不相同,则异或结果为1。如果a、b两个值相同,异或结果为0。
异或也叫半加运算,其运算法则相当于不带进位的二进制加法:二进制下用1表示真,0表示假,则异或的运算法则为:0⊕0=0,1⊕0=1,0⊕1=1,1⊕1=0(同为0,异为1),这些法则与加法是相同的,只是不带进位,所以异或常被认作不进位加法。

研究人员写道:“传统认为,异或需要网络结构才能实现。”

dCaAP在整个神经元以及生命系统中的作用,还需要更进一步的观察。同时,弄清其它动物是否发展出了类似机制。

仿生学可以借助生物神经系统设计出全新的网络晶体管蓝图。

这项研究发表在《科学》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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