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在一项新的研究中，来自莱比锡大学卡尔-路德维希研究所的研究人员发现，在大脑皮层中，脑细胞之间的突触信号传递即使在钙离子浓度较低的情况下也能非常可靠地发挥功能——这与大脑后部区域的情况不同。相关研究成果发表于《科学》杂志。
这些发现有助于我们理解健康大脑的运作机制，但也可能对计算机行业有所裨益，例如在神经网络的开发中。
思考、学习、感受——所有感官知觉都在大脑中处理。人类大脑中大约有1000亿个神经细胞相互连接。
这些脑细胞之间的超高速通信主要通过其接触点——突触——进行信号传递。这一过程涉及复杂的电化学反应，以跨越发送细胞与接收细胞之间的微小间隙。这个过程的基本机制已为人所知：简而言之，当发送神经元中的钙离子与特定传感器蛋白结合时，会触发突触信号传递，从而导致发送细胞释放称为神经递质的信使分子。接收细胞则以可测量的电信号作出响应。
信号传递的差异
然而，大脑不同区域在信号传递方面存在显著差异，例如神经细胞大小、突触数量以及细胞内钙离子结合传感蛋白的特性等。
“我们早已知道，大脑皮层的信号传递比其他脑区可靠得多，”论文通讯作者、莱比锡大学卡尔-路德维希研究所医学系教授Hartmut Schmidt说道。
大脑皮层也被称为大脑的灰质，其中包含处理各种功能的中心，例如躯体感觉皮层。这是身体感官印象在传递到皮层其他部分之前进行预处理的区域。
传感蛋白发挥关键作用
“在我们的新研究中，我们发现该区域的传感器蛋白——突触结合蛋白1（synaptotagmin 1, Syt1）——已能对突触中更低的钙浓度作出反应并触发信号传递。这与存在于大脑后部细胞中已被研究了25年的称为突触结合蛋白2（synaptotagmin 2, Syt2）的传感蛋白形成对比。Syt1的特性似乎有助于我们研究的皮层突触不仅更可靠，而且更具可塑性——这是大脑在一生中适应新需求的基本前提，”Schmidt解释道。
对健康大脑中这些因素的详细了解为识别脑部疾病中的异常过程以及开发潜在疗法奠定了基础。“但这些发现也可能对计算机行业神经网络的进一步发展具有相关性，”Schmidt说。
研究人员使用小鼠脑组织研究了初级躯体感觉皮层中的细胞。他们在实验系列中结合了多种方法：利用膜片钳技术，他们测量了相连神经元对的电信号。与此同时，他们利用紫外激光和双光子激光显微镜监测并测量突触中的钙浓度。
他们还开发了一种名为“轴突行走（axon walking）”的自有方法。该方法可定位神经细胞的轴突上当前活跃的四到五个突触。这些突触的大小仅约为千分之一毫米。
基于这些数据，研究人员为所研究的传感蛋白Syt1开发了一个详细的数学模型。该模型也可供其他研究小组使用。当前的后续项目正在探讨是否能在大脑皮层的不同区域进一步区分突触传递
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