在房间里走动这样简单的活动就能启动人类大脑中的神经元。电化学事件或“神经元尖峰”的爆炸在动作过程的不同时间出现。这些活动的尖峰,也被称为动作电位,是神经元相互交流时产生的电脉冲。
长期以来,研究人员一直认为尖峰率与行为和记忆有关。当动物穿过走廊时,海马体(大脑中与记忆形成有关的区域)就会产生神经元尖峰,就像GPS地图一样。然而,这些峰值发生的时间以及它们与实时事件的联系被认为是随机的,直到发现这些峰值以特定而精确的模式发生。
西方大学的神经科学家开发了一种研究这一现象的新方法,现在能够分析神经元尖峰的时间。他们的研究发现,对于行为和记忆来说,刺突时间可能和刺突率一样重要。
该论文的资深作者、理学院助理教授莱尔·穆勒说:“越来越多的实验证据表明,尖峰时间在感觉、运动和认知系统中的重要性。”
“然而,通过峰值时间进行的精确计算仍不清楚。其中一个原因可能是没有一种清晰的数学语言来讨论神经元之间的峰值时间模式,而这正是我们开始开发的。”
最近发表在《物理评论E》杂志上的这篇论文概述了一种新的数学技术,用于研究尖峰时间序列中发生的神经编码。
“相对于‘内部时钟’,神经元在非常特定的时间放电,我们想知道原因,”该论文的第一作者之一、西方脑扫描学者亚历克斯·布希(Alex Busch)说。“如果神经元已经通过脉冲速率跟踪动物的位置,为什么我们还需要在此基础上设定特定的时间?”这提供了什么额外的信息?”
Busch和共同第一作者,休伦学院数学系助理教授Federico Pasini,从已知的实验数据中确定了峰值时间。研究人员将这些模式作为一种编码来研究,他们能够将峰值时间转化为一个数学方程。
“这是我们第一次能够问这些峰值时间可以做什么计算。我们发现,这不仅仅是当前位置;“峰值时间的模式实际上在最近的过去和未来的预测之间建立了一种联系,这种联系被编码在峰值时间本身,”Busch说,他是数学系的博士生,现在致力于创造新的数学方法来分析和理解峰值时间。“这些模式可能对学习和记忆很重要。”
除了为研究人员提供一种研究尖峰时间及其与行为和记忆关系的方法外,这项研究还为研究神经退行性疾病的缺陷铺平了道路。更好地理解尖峰时间的重要性可能会导致更好地理解当尖峰模式在阿尔茨海默病和其他记忆障碍中崩溃时会发生什么。
“如果我们有一种关于峰值时间的语言,我们就能理解可能发生的计算。如果我们能理解计算,我们就能理解它们是如何崩溃的,并提出新的技术来修复它们。”穆勒说。