为什么大脑的神经细胞被组织成模块?

科学家们发现，我们大脑的外部部分(皮层)能够熟练地管理从外界获得的所有信息，这要归功于一组被称为模块的特殊神经连接，这些神经连接既可以协同工作，也可以独立工作。

　　

科学家们发现，哺乳动物大脑的外层皮层能够控制它接收到的所有外部输入，因为它的神经网络是如何组织成相互联系但独立运作的“模块”的。这一发现是一个独特的实验系统的结果，该系统在微制造的玻璃表面上培养神经元，即大脑的功能元素。计算模型随后描述了实验观察结果。这项研究是由日本东北大学的Hideaki Yamamoto和巴塞罗那大学的Jordi Soriano领导的一个国际研究小组完成的，发表在《Science Advances》杂志上。

大脑皮层是大脑的外层，包含大量负责感觉知觉、运动控制和高阶计算等功能的神经元。“神经网络，就像哺乳动物的皮质一样，需要能够从专门的电路中分离输入，并整合来自多个电路的输入，”Yamamoto说。但大脑皮层是如何支持这两种截然不同的处理模式的，目前还不清楚。

为了研究这一点，研究人员引导皮质神经元形成一个包含多个亚组或模块的网络。实验室培养的神经元被设计成表达光敏蛋白，这样它们就可以被特定波长的光刺激。

研究小组发现，结构良好的模块化网络对局部光刺激的反应更大，而那些“模块化”程度较低的网络对所有刺激的反应都过于同步。

为了产生这种效果，在不同的时间将施加的光刺激传递到网络的不同部分，以模拟大脑皮层下部分对皮层的真实输入。然而，当整个网络的整体兴奋性同时提高时，通过增加整个网络的钾浓度，这确实触发了整个网络的同步、协调的活动反应。

Yamamoto解释说:“局部分离活动和全球整合活动之间的平衡被认为对大脑在有限资源下扩大信息表达能力很重要。”

这一发现不仅有助于科学家了解哺乳动物大脑结构和功能之间的相互作用，还有助于改善用于机器学习研究的人工神经网络的发展。

Modular architecture facilitates noise-driven control of synchrony in neuronal networks