大腦中的神經(jīng)元似乎遵循獨(dú)特的數(shù)學(xué)模式
參與人腦計(jì)劃的研究人員已經(jīng)確定了控制我們大腦中神經(jīng)元分布的數(shù)學(xué)規(guī)則。
該規(guī)則預(yù)測(cè)了神經(jīng)元在大腦不同部位的分布方式,并可以幫助科學(xué)家創(chuàng)建精確的模型來(lái)了解大腦的工作原理,并為神經(jīng)系統(tǒng)疾病開發(fā)新的治療方法。
在統(tǒng)計(jì)學(xué)的奇妙世界中,如果你考慮任何連續(xù)的隨機(jī)變量這對(duì)數(shù)該變量通常遵循所謂的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。由平均值和標(biāo)準(zhǔn)差定義,它可以可視化為鐘形曲線,只是曲線比您在正態(tài)分布中找到的曲線更寬。
來(lái)自德國(guó)于利希研究中心和科隆大學(xué)的一組研究人員發(fā)現(xiàn),不同哺乳動(dòng)物神經(jīng)組織外層區(qū)域的神經(jīng)元數(shù)量符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布.
撇開數(shù)學(xué)不談,一個(gè)簡(jiǎn)單而重要的區(qū)別是正態(tài)分布鐘形曲線的對(duì)稱性和對(duì)數(shù)正態(tài)分布的不對(duì)稱性和嚴(yán)重的右偏尾,這是由于大量小值和一些顯著的大值。
一個(gè)國(guó)家的人口規(guī)模通常是正態(tài)分布的,有幾個(gè)非常大的城市和許多小城鎮(zhèn)和村莊。
大腦結(jié)構(gòu)和功能取決于神經(jīng)元的數(shù)量和排列。該外層組織層的不同區(qū)域和層中的神經(jīng)元密度 –大腦皮質(zhì)– 差異很大。
“神經(jīng)元密度的分布會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)連接,”說尤利希研究中心的神經(jīng)科學(xué)家薩沙·范·阿爾巴達(dá)(Sacha van Albada)。
“例如,如果突觸的密度是恒定的,那么神經(jīng)元密度較低的區(qū)域?qū)⒔邮盏矫總€(gè)神經(jīng)元更多的突觸。
神經(jīng)元密度的統(tǒng)計(jì)分布在很大程度上仍然未知,盡管研究確實(shí)為我們提供了引人入勝的信息關(guān)于我們大腦細(xì)胞組織的發(fā)現(xiàn).
為了進(jìn)行研究,該團(tuán)隊(duì)使用了九個(gè)開源數(shù)據(jù)集,涵蓋七個(gè)不同的物種:小鼠,狨猴,獼猴,加拉戈,貓頭鷹猴,狒狒和人類。當(dāng)比較大腦皮層不同區(qū)域的神經(jīng)元密度時(shí),出現(xiàn)了對(duì)數(shù)正態(tài)分布的常見模式。
“我們的研究結(jié)果與觀察結(jié)果一致,即大腦的許多特征都遵循對(duì)數(shù)正態(tài)分布,”作者在他們的論文中寫道.
對(duì)數(shù)正態(tài)分布是乘法過程的自然結(jié)果,就像正態(tài)分布是許多自變量相加的自然結(jié)果一樣。
“它在自然界中可能非常普遍的一個(gè)原因是,它是在取許多自變量的乘積時(shí)出現(xiàn)的,”說亞歷山大·范·梅根(Alexander van Meegen)共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究,這是他在于利希研究中心(Jülich Research Centre)攻讀計(jì)算神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位的一部分。
研究人員表示,大腦皮層的結(jié)構(gòu)方式可能是發(fā)展或進(jìn)化的副產(chǎn)品,與計(jì)算無(wú)關(guān)。
但以前的研究表明大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變異不僅僅是一個(gè)副產(chǎn)品,它可能積極地幫助動(dòng)物在不斷變化的環(huán)境中學(xué)習(xí)。事實(shí)上,在不同的物種和皮層的大部分部位都可以看到相同的組織,這表明對(duì)數(shù)正態(tài)分布被用于某些事情。
“我們無(wú)法確定神經(jīng)元密度的對(duì)數(shù)正態(tài)分布將如何影響大腦功能,但它可能與高網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)性有關(guān),這在計(jì)算上可能是有益的。解釋共同主要作者Aitor Morales-Gregorio,Jülich研究中心的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家。
科學(xué)家們希望這一發(fā)現(xiàn)能夠揭示大腦如何存儲(chǔ)和檢索信息,以及它如何獲取新知識(shí)。在不斷尋求有效的治療方法對(duì)于腦部疾病,它可能為創(chuàng)造針對(duì)大腦特定區(qū)域的新藥鋪平道路。
這人腦計(jì)劃為促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算和腦相關(guān)醫(yī)學(xué)建立共享研究基礎(chǔ)設(shè)施的十年努力即將結(jié)束,它給了我們一些有趣的發(fā)現(xiàn)一路走來(lái)。
該研究已發(fā)表在大腦皮質(zhì).
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