科学家们已经建立了一个人工人脑细胞

万博亚洲体育前沿细胞神经科学:人类神经元的有史以来最先进的数字化复制品表明,人类大脑是独一无二的 - 到他们的积木一路。

该模型显示,人类神经元在整合、处理和存储信息方面的能力从根本上来说更为强大。

有史以来人类神经元的最先进的数字副本显示,人类大脑是独一无二的 - 到他们的积木一路。

-作者马修·普赖尔,前沿科学作家万博亚洲体育

最逼真的人体模拟细胞迄今为止提供新的见解我们独特的智力。出版于万博亚洲体育细胞神经科学前沿,该模型首次整合了哺乳动物大脑的主要电路建设者“金字塔”神经元的精细结构和功能特征,这些特征来自我们皱巴巴的冠冕荣耀——人类新皮质。这些数字神经元揭示了人类和啮齿动物大脑之间的根本差异,这有助于解释我们增强的思维和记忆功率。

人脑组织是非常来之不易的研究 - 这样最神经学家研究小鼠或大鼠的大脑。

虽然人们已经通过这种方式了解了大量哺乳动物大脑在细胞和电路层面的工作原理,但仅靠啮齿动物——或任何其他物种——都无法满足我们对自我理解的追求,即人类的本质。尤其是涉及到新大脑皮层的时候。


人类大脑皮质锥体神经元:从棘通过模型钉鞋
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人脑的高级认知功能通常归因于这一最近发展结构:其标志性的折面。的人和啮齿动物的大脑的比较示出了,人的大脑皮层有一千倍的神经细胞,与每单元多的神经元连接厚50%,并且它的主要计算积木或“微芯片” - 锥体神经元 - 都较大。这是纯粹的大小的问题,或者可能我们的神经元也是不同的其他方式?

“要真正了解我们自己的大脑是如何工作的,以及‘是什么让我们成为人类的’,就必须从细胞的细颗粒水平来研究人脑,以及它们与其他细胞——突触——的联系。”伊詹塞格夫教授耶路撒冷,以色列希伯来大学。“但是,这是非常具有挑战性的,因为道德和技术的限制。”

现在,由于少数人脑组织捐赠者的慷慨捐赠和塞格夫的多学科合作团队的聪明才智,一个新的解决方案正在形成——一次一个神经元。

“为了克服这些限制,我们建立了人类大脑皮层锥体细胞的逼真的3D工作的计算机模型,并确定是什么让他们独特。

通过与新鲜手术活检和固定尸检组织观察到真正的人类神经元的详细的功能赋予虚拟细胞,研究人员能够填补这些难得的实验数据留下的空白。

“以前的实验工作已确定在人类和啮齿类动物的锥体神经元之间的几个的解剖和生理上的差异,”塞格夫说。

例如,树突是神经元中接受其他神经细胞输入的一部分,它在人类中的分支更为密集,每个细胞接收的突触也比啮齿动物的约10000个多,约30000个。与啮齿动物相比,人类锥体神经元的比容也要低得多,这意味着它们更容易产生电信号,传输速度更快、效率更高。

“我们为人类皮层锥体神经元建立的新的详细数字模型是有史以来第一个将这些独特的解剖学和生理学特征结合起来的模型,使我们能够识别人类神经元的一些新特性,并使用先进的计算工具分析其功能含义。

这些计算机模型揭示的新特性有助于解释人类锥体神经元是如何有效地处理它们特别大量的突触输入的,与啮齿动物的神经元相比,它们的低膜电容和更强大的突触输入是有帮助的。

“人类皮层细胞具有独特的膜属性,具有更有效的兴奋性突触,以补偿其高度分枝和拉长的树突,以及强局部树突非线性;这些特性加在一起提高了它们的计算能力。”

换句话说,当一个树突同时接收到多个信号时,它不会简单地把这些信号加在一起发送到细胞体,而是为神经元内的信号整合增加了另一个计算步骤。


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“这表明,人类神经元不仅仅是啮齿动物各自神经元的延伸版本,而且从根本上讲,它们在整合、处理和存储信息方面的能力更强。”

该模型的一个关键预测是,人类锥体神经元的信息存储能力(或记忆)几乎是大鼠的四倍。这是因为人类细胞的突触数量不仅是相应啮齿动物细胞的3倍左右,而且还可以支持几乎两倍的同时独立的“局部树突状突起”的数量,即使突触输入能够从树突状突起传递到细胞体的电压信号。人类树突中的多点局部信号处理也有助于解释这些细胞计算能力的增强。

“我们的模型仍然基于许多假设——我们需要更多的数据来完全模拟人类神经元,以及它们形成的皮质回路”,Segev警告说。“最终,如果我们想要了解是什么让我们成为人类,我们将需要建立一个完整的人类大脑的详细模型,包括它的不同神经元类型。”

这项研究为未来研究人类神经元提供了一个基线参考,这将有助于改善对脑部疾病的治疗。该模型还可以帮助研究人员开发受大脑启发的学习机器和开发人工智能。

“人类的大脑是一种先进的技术,具有独特的能力,”塞格夫说。“在未来十年,我们将看到世界各地越来越多的精力去了解在当地电路级的人的大脑。现在我们开始了解什么我们从其他物种分离的细胞水平的细节 - 探索这种理解如何应用开发特定的人的大脑的药物和人脑启发技术。这些都是大脑研究和人类的一般高度激动人心的时刻!”


来源文章:人类大脑皮质锥体神经元:从棘通过模型钉鞋

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科学家12个评论已经建立了一个人造人脑细胞

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