神经生物学|幼稚大脑中存在惊人网络活动

大脑皮层是如此奇妙的一个组织，个体神经元究竟如何发育出适当的突触连接，形成大规模分布式网络的呢？

　　

歌德大学和法兰克福先进研究院（FIAS）组成的国际科学家小组从早期发育中的视觉皮层局域网络的自发活动模式获得了启发。显然，这种在皮层发育过程中建立起来的大脑活动为远程神经连接提供了基础。

正如他们发表在《Nature Neuroscience》杂志上的文章，科学家们通过研究白釉（ferret）的视觉皮层，探索了皮层的早期网络发育，在这里，千万神经元分布在仅为几毫米的皮质表面。在视觉皮层中，网络活动编码视觉感官（视觉场景边缘和运动对象方向等）特异性特征。

利用钙离子成像技术，科学家在前所未有的分辨率下观察到了自发活动模式，即不通过视觉输入产生的模式。令他们吃惊的是，自发活动模式下，远端神经元群之间高度相关，更具体的说，小群神经元活动可以准确地预测几毫米之外的相关网络活动，这种相关性可以完美地预测视觉刺激激发的网络活动模式。

接下来，研究人员利用自发和视觉刺激激发的网络模式之间的显著对应关系，发现了网络互交是如何在不成熟的大脑中发展建立起来的。鉴于未成熟的皮质缺少分布式网络活动模式的基础，长程皮质连接，通过观察睁眼前的自发活动模式状态，研究人员期望看到一些显著差异。但是令人惊奇的是，在眼睛睁开前，研究人员却观察到了稳健的与自发活动相关的长程模式，并且，它的延伸距离竟然与成熟大脑中所见的距离相当。

面对这种悖论，研究人员首先考虑相关活动模式是否像森林火灾一般可以通过局部皮质连接链加以传播。这是一个有趣的假设，歌德大学计算机科学系教授Matthias Kaschube和他的博士生Bettina Hein建立了一个早期视觉皮层神经回路计算模型。他们发现，通过使用与局部皮质连接组织一致的参数，该模型可以精确地再现他们在实验中观察到的自发长程相关性模式，并且确实不需要长程连接。

综上所述，这些结果表明，早期发育皮层的长程秩序起源于短程连接驱动的神经活动，换句话说，局部连接构建了网络活动的支架，并可以介导随后的长距离网络连接形成。俗语称“全面思考，本地落实”，这句话在大脑皮层早期发育中亦得到了证实。未来，研究人员试图验证下一个预言，活动依赖性可塑性机制塑造的长程连接结构是基于源自局部皮质连接的指导性活动模式。

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原文检索：Distributed network interactions and their emergence in developing neocortex

（生物通：伍松）