神经元如何控制大脑的谜团终于解开了

大脑是效率的奇迹，经过数千年的进化磨练，因此它能够在快速变化的世界中适应和发展。然而，尽管进行了数十年的研究，大脑如何实现这一目标的谜团仍然难以捉摸。

我们新研究发表在杂志上细胞》揭示了神经元（负责您的童年记忆、思想和情感的细胞）如何协调它们的活动。

这有点像在一家高绩效企业中工作。平衡个人技能与团队合作是成功的关键，但您如何实现平衡呢？

事实证明，大脑的秘密非常简单：将每个细胞精力的一半（且不少于 40%）投入到单个任务中。

剩下的努力去哪儿了？迈向可扩展的团队合作。

关键在于：我们在五个物种的大脑中发现了完全相同的组织结构——从果蝇和线虫到斑马鱼、老鼠和猴子。

这些物种来自生命之树的不同分支，它们之间相隔不止一个亿年的进化，这表明我们可能已经发现了优化信息处理的基本原理。它还为当今任何复杂的系统提供了强有力的经验教训。

关键的中间地带

我们的发现解决了长期存在的关于大脑的争论：神经元的行为是否像明星球员（每个都高度专业化和高效）还是他们优先考虑团队 合作（确保整个系统即使在某些元素不稳定时也能正常工作）？

回答这个问题一直很有挑战性。直到最近，神经科学工具还仅限于记录几个细胞或数百万个细胞的活动。

这就像试图通过采访少数员工或仅接收高级部门摘要来了解一家大型公司。关键的中间立场缺失。

然而，随着钙成像，我们现在可以同时记录来自数万个细胞的信号。钙成像是一种让我们通过使用荧光传感器实时观察神经活动的方法，荧光传感器会根据细胞中的钙水平亮起。

应用我从物理训练中获得的见解来分析大规模数据集，我们发现大脑活动根据分形层次结构.

细胞协同工作以构建更大、更协调的网络，创建一个组织，每个规模都反映了上下规模。

这个结构回答了争论：大脑实际上是双.

它以一种巧妙的方式平衡了个性和团队合作。大约一半的努力都花在了 “个人” 性能上，因为神经元在越来越大的网络中进行协作。

大脑可以迅速适应变化

为了测试大脑的结构是否具有独特的优势，我们运行了计算模拟，揭示了这种分形层次结构优化了整个大脑的信息流。

它允许大脑做一些至关重要的事情：适应变化。它确保大脑高效运行，以最少的资源完成任务，同时即使在神经元失灵时也能保持功能，从而保持弹性。

无论您是在不熟悉的地形中导航还是对突发威胁做出反应，您的大脑都会迅速处理新信息并采取行动。神经元不断调整它们的协调性，使大脑保持足够稳定以进行深入思考，同时又足够敏捷以应对新的挑战。

我们发现的多尺度组织允许不同的策略——或者”神经代码“ – 在不同尺度上发挥作用。

例如，我们发现斑马鱼的运动依赖于许多神经元的协同工作。这种弹性设计确保游泳顺畅地继续进行，即使在快速变化的环境中也是如此。

相比之下，鼠标视觉适应蜂窝规模，允许从场景中提取精细细节所需的精度。在这里，如果一些神经元错过了关键信息，整个感知就会发生变化——就像视觉错觉欺骗你的大脑一样。

我们的研究结果显示，神经元活动的这种分形协调发生在一个巨大的进化跨度中：从脊椎动物（其最后一个共同祖先生活在 4.5 亿年前）到可追溯到 10 亿年前的无脊椎动物。

这表明大脑已经进化到可以平衡效率和弹性，从而优化信息处理和适应新的行为需求。进化的持久性暗示我们已经发现了一个基本的设计原则。

基本原则？

这是一个激动人心的时代，因为物理学和神经科学继续相互作用，以揭示大脑的普遍规律，这些规律是在亿万年的自然选择中精心制定的。需要未来的工作来了解这些原理如何在人脑中发挥作用。

我们的研究结果还暗示了更大的事情：这种关于个人关注和可扩展团队合作的简单规则可能不仅仅是大脑的解决方案。

当元素组织到分层网络中时，可以有效地共享资源，并且系统可以增强对中断的能力。

最好的企业以相同的方式运作——当新的挑战出现时，个人可以在不等待经理指示的情况下做出反应，从而使他们能够解决问题，同时迅速得到组织的支持。

在复杂系统中实现弹性和效率可能是一个普遍的原则。

篮球传奇人物迈克尔·乔丹他说得对：“天赋赢局，但团队合作和智慧赢冠军”。

布兰登·罗伯特·穆恩， 博士后研究员，悉尼大学

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