大脑如何将外部信息转化为记忆?

  人类大脑如何将外部信息转化为自己的记忆?作为“人类大脑计划”的一部分,来自德国、瑞典和瑞士的科研小组研究了大脑纹状体中的神经元回路。研究结果发表在近期的《计算生物学》杂志上,对理解神经系统的基本功能具有重要意义。

  大脑信息处理发生在通过突触连接的神经回路内,突触的任何变化都会影响我们记忆事物,或对某些刺激做出反应的方式。利用突触可塑性可以操纵这些神经回路,该过程中某些突触会随着时间的流逝而增强或减弱,具体取决于神经元的活动。

  研究小组分析了这些突触变化的生化反应网络,进一步破译了可塑性机制。研究负责人之一、斯德哥尔摩皇家技术学院的杰内特·可塔尔斯基解释说:“模拟可塑性机制对于理解某些由分子计算产生的高级现象,例如学习和记忆形成至关重要。”

  在神经元中,外部和内部信息处理通过突触可塑性,将突触信号在脑神经网络中传输。脑神经网络中的单个分子也可以执行这些生化反应,通常是一种称为AC酶。例如,哺乳动物中的腺苷酸环化酶家族,可将细胞外信号转换为细胞内信号分子(cAMP),这是细胞最重要的次级信使之一。

  德国尤利希研究中心的保罗·卡罗尼称:“某些辅助蛋白质化学反应是通过靶向AC酶来启动的,而其他酶则会阻止它们。我们的工作向更好地理解这些AC蛋白的“分子识别”迈出了重要一步,神经元可以极高的精确度和准确性控制AC酶催化反应的速率。这反过来又激活了神经元功能所必需的后续过程。”

  大脑表达由9种膜结合的AC变体,其中AC5代表纹状体中的主要形式。在基于反应的学习中,cAMP的产生对于加强从皮质神经元到纹状体主要神经元的突触至关重要,并且产生取决于多种神经调节系统,例如多巴胺和乙酰胆碱。首席研究员丽贝卡·旺德总结说:“在这项研究中,我们汇集了来自4个不同研究所科学家的专业知识,共同开发一种多尺度仿真方法,并使用它来创建依赖AC5的信号系统的动力学模型。”

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