神經元如何控制大腦的謎團終于解開了

大腦是效率的奇跡，經過數千年的進化磨練，因此它能夠在快速變化的世界中適應和發展。然而，盡管進行了數十年的研究，大腦如何實現這一目標的謎團仍然難以捉摸。

我們新研究發表在雜志上細胞》揭示了神經元（負責您的童年記憶、思想和情感的細胞）如何協調它們的活動。

這有點像在一家高績效企業中工作。平衡個人技能與團隊合作是成功的關鍵，但您如何實現平衡呢？

事實證明，大腦的秘密非常簡單：將每個細胞精力的一半（且不少于 40%）投入到單個任務中。

剩下的努力去哪兒了？邁向可擴展的團隊合作。

關鍵在于：我們在五個物種的大腦中發現了完全相同的組織結構——從果蠅和線蟲到斑馬魚、老鼠和猴子。

這些物種來自生命之樹的不同分支，它們之間相隔不止一個億年的進化，這表明我們可能已經發現了優化信息處理的基本原理。它還為當今任何復雜的系統提供了強有力的經驗教訓。

關鍵的中間地帶

我們的發現解決了長期存在的關于大腦的爭論：神經元的行為是否像明星球員（每個都高度專業化和高效）還是他們優先考慮團隊 合作（確保整個系統即使在某些元素不穩定時也能正常工作）？

回答這個問題一直很有挑戰性。直到最近，神經科學工具還僅限于記錄幾個細胞或數百萬個細胞的活動。

這就像試圖通過采訪少數員工或僅接收高級部門摘要來了解一家大型公司。關鍵的中間立場缺失。

然而，隨著鈣成像，我們現在可以同時記錄來自數萬個細胞的信號。鈣成像是一種讓我們通過使用熒光傳感器實時觀察神經活動的方法，熒光傳感器會根據細胞中的鈣水平亮起。

應用我從物理訓練中獲得的見解來分析大規模數據集，我們發現大腦活動根據分形層次結構.

細胞協同工作以構建更大、更協調的網絡，創建一個組織，每個規模都反映了上下規模。

這個結構回答了爭論：大腦實際上是雙.

它以一種巧妙的方式平衡了個性和團隊合作。大約一半的努力都花在了 “個人” 性能上，因為神經元在越來越大的網絡中進行協作。

大腦可以迅速適應變化

為了測試大腦的結構是否具有獨特的優勢，我們運行了計算模擬，揭示了這種分形層次結構優化了整個大腦的信息流。

它允許大腦做一些至關重要的事情：適應變化。它確保大腦高效運行，以最少的資源完成任務，同時即使在神經元失靈時也能保持功能，從而保持彈性。

無論您是在不熟悉的地形中導航還是對突發威脅做出反應，您的大腦都會迅速處理新信息并采取行動。神經元不斷調整它們的協調性，使大腦保持足夠穩定以進行深入思考，同時又足夠敏捷以應對新的挑戰。

我們發現的多尺度組織允許不同的策略——或者”神經代碼“ – 在不同尺度上發揮作用。

例如，我們發現斑馬魚的運動依賴于許多神經元的協同工作。這種彈性設計確保游泳順暢地繼續進行，即使在快速變化的環境中也是如此。

相比之下，鼠標視覺適應蜂窩規模，允許從場景中提取精細細節所需的精度。在這里，如果一些神經元錯過了關鍵信息，整個感知就會發生變化——就像視覺錯覺欺騙你的大腦一樣。

我們的研究結果顯示，神經元活動的這種分形協調發生在一個巨大的進化跨度中：從脊椎動物（其最后一個共同祖先生活在 4.5 億年前）到可追溯到 10 億年前的無脊椎動物。

這表明大腦已經進化到可以平衡效率和彈性，從而優化信息處理和適應新的行為需求。進化的持久性暗示我們已經發現了一個基本的設計原則。

基本原則？

這是一個激動人心的時代，因為物理學和神經科學繼續相互作用，以揭示大腦的普遍規律，這些規律是在億萬年的自然選擇中精心制定的。需要未來的工作來了解這些原理如何在人腦中發揮作用。

我們的研究結果還暗示了更大的事情：這種關于個人關注和可擴展團隊合作的簡單規則可能不僅僅是大腦的解決方案。

當元素組織到分層網絡中時，可以有效地共享資源，并且系統可以增強對中斷的能力。

最好的企業以相同的方式運作——當新的挑戰出現時，個人可以在不等待經理指示的情況下做出反應，從而使他們能夠解決問題，同時迅速得到組織的支持。

在復雜系統中實現彈性和效率可能是一個普遍的原則。

籃球傳奇人物邁克爾·喬丹他說得對：“天賦贏局，但團隊合作和智慧贏冠軍”。

布蘭登·羅伯特·穆恩， 博士后研究員，悉尼大學

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