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大脑通过其突触的强度 - 神经元之间的联系 - 的变化来学习,以响应刺激现在,在一项发现挑战传统智慧的大脑学习机制,UCLA神经物理学家发现有一个最佳的大脑“节奏,“或频率,改变突触强度而且,就像收音机拨号盘上的站点一样,每个突触被调到不同的最佳频率进行学习​​

这些发现提供了大脑统一理论,这些理论是大脑学习的基础,可能会导致治疗学习障碍的新疗法这项研究发表在最新一期的“计算神经科学前沿”杂志上“很多人都有学习和记忆障碍,除此之外,我们大多数人都不是爱因斯坦或莫扎特,”Mayank说

R Mehta,该论文的资深作者,加州大学洛杉矶分校神经病学,神经生物学,物理学和天文学系的副教授“我们的工作认为学习和记忆的某些问题是由于突触没有被调到正确的频率引起的“刺激响应突触强度的变化 - 被称为突触可塑性 - 是通过所谓的”尖峰列车“引起的以不同频率和时间发生的神经信号的变化先前的实验证明,以非常高的频率刺激神经元(例如,每秒100个尖峰)加强了连接突触,而低频刺激(例如,每秒一个尖峰)降低了突触强度这些早期的实验在非常高的频率范围内使用了数百个连续的尖峰来诱导可塑性

然而,当在实际行为任务中大脑被激活时,神经元仅发射大约10个连续尖峰,而不是几百个

并且它们在低得多的情况下这样做频率 - 通常在每秒50个尖峰范围内换句话说,Mehta表示,“尖峰频率指的是尖峰有多快10个尖峰可以以每秒100次尖峰的频率或以每秒一次峰值的频率发送“直到现在,研究人员无法进行模拟更自然发生水平的实验但是Mehta和共同作者Arvind Kumar,一位前博士后研究员在他的实验室中,他们首次使用他们开发并通过实验数据验证的复杂数学模型获得了这些测量值

与之前假设的相反,Mehta和Kumar发现当涉及刺激具有自然发生的尖峰模式的突触时,在最高频率刺激神经元并不是增加突触强度的最佳方法例如,当突触刺激仅以每秒30个尖峰的频率刺激10个突触时,它诱导的强度增加远大于刺激突触的强度

10次​​穗状态,每秒100次“基于之前的研究,期望是,如果你开了一个高峰突触频率,对突触强化或学习的影响,至少与自然发生的较低频率一样好,如果不是更好,“Mehta说”令我们惊讶的是,我们发现超出最佳频率,实际上是突触强化随着频率的增加而下降“知道突触具有最佳学习频率的知识导致研究人员根据神经元上突触的位置比较最佳频率神经元的形状像树木,细胞核是细胞核的基础

树,类似于广泛分支的树突和类似于树枝上的叶子的突触当Mehta和Kumar比较基于突触位于树突分支上的突触学习时,他们发现的是显着的:诱导突触学习的最佳频率取决于突触所在的位置突触离神经元细胞体越远,其最佳频率就越高“令人难以置信的是,当涉及到学习时,神经元表现得像一个巨大的天线,不同的枝状枝被调谐到不同的频率以进行最大限度的学习,”Mehta说,研究人员发现,每个突触不仅具有实现最佳的最佳频率

学习,但为了达到最佳效果,频率必须是完美的节奏 - 以精确的时间间隔计时即使在最佳频率,如果节奏被抛弃,突触学习也会大大减少 他们的研究还表明,一旦突触学会了,它的最佳频率就会发生变化

换句话说,如果一个天真突触的最佳频率 - 一个还没有学到任何东西的突触 - 就是说,学习后,每秒30个尖峰,那个非常相同的突触会以较低的频率学习,例如每秒24次峰值因此,学习本身会改变突触的最佳频率这种学习诱导的“失调”过程对于治疗与遗忘有关的疾病具有重要意义,例如创伤后研究人员表示,虽然需要更多的研究,但研究结果提出了开发药物以“重新调节”学习或记忆障碍患者的大脑节律的可能性,或者我们中的更多人可能成为爱因斯坦或莫扎特的可能性

最佳的脑节律被传递到每个突触“我们已经知道有可以改变大脑节律的药物和电刺激,”Mehta说:“我们的研究结果表明我们可以使用这些工具为目标连接提供最佳的脑节律以增强学习“国家科学基金会,美国国立卫生研究院,白厅基金会和WM凯克基金会提供的研究资金作者报告没有利益冲突 - 在网上:

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