希伯来大学亚历山大西尔伯曼生命科学研究所(Alexander Silberman Institute of Life Science) 的Benny Hochner教授和哈佛大学的Jeff Lichtman教授领导的最新研究揭示了控制普通章鱼学习过程的复杂神经结构。这项研究引入了一种新的模型,用于深入探索记忆网络。这不仅对于研究头足类动物(被广泛认为是最聪明的无脊椎动物)的认知能力有重要意义,也为深入理解包括人类在内的记忆过程提供了宝贵的启示。
章鱼在演化过程中早于人类出现了7亿年,其拥有与高等脊椎动物相匹敌的认知能力。Hochner教授的团队对章鱼的中枢神经系统进行了研究,重点关注负责学习和记忆的垂直叶,并试图比较不同物种的神经网络和运行机制。
在与Lichtman教授的实验室合作中,研究人员使用了自动组织切片制备系统和新型机器学习重构算法。这种尖端技术能够实现超薄切片的切割和分类,使每个截面的厚度仅为百万分之三十毫米,并构建网络结构元素的三维表示。
Hochner教授表示:“我们在之前的研究中发现了一个有趣的现象,即章鱼的垂直叶内存在长时程增强(LTP)突触效应,这种突触传递现象在学习和记忆中至关重要,引起了我们的关注。我们利用高精确度的电子显微镜仔细地绘制了垂直叶的连接情况,达到了约四微米的分辨率。在研究过程中,我们与Lichtman教授的团队合作设计并运行了一个机器人系统以及复杂的计算机算法,能够将上百个厚度仅为三十微米的超薄切片组织成一个全面的3D模型。这一创新方法使我们得以深入研究连接组,即组成神经网络的神经元之间复杂的突触连接。”
在希伯来大学博士后研究员Flavie Bidel博士和哈佛大学Yaron Meirovitch博士的领导下,研究团队精心地重建了可以模拟垂直叶的微型组织体,以进一步探究连接组。借助高级机器学习算法和精确的注释,研究者绘制出了章鱼大脑中垂直叶的神经网络图。这一发现对于学术界关于学习和记忆中神经网络功能的既有概念提出了挑战。与传统的模型不同,垂直叶的神经网络是以前馈的方式运行的,类似于单行道,将信息通过输入神经元单向传递到输出神经元,从而控制章鱼的行为。
实现这种简单传输的关键在于章鱼脑中约2500万个中间神经元,它分为简单无长突细胞(SAMs)和复杂无长突细胞(CAMs)。简单无长突细胞大约有2300万个,它的作用是通过突触强化来学习视觉特征。而复杂无长突细胞大约有40万个,在巩固神经活动方面发挥着重要的作用。这两种类型的细胞通过它们的轴突分支与输出层中较大的细胞连接,简单细胞传递学习信息,使较大的细胞处于活跃状态,而复杂细胞则会降低简单细胞的活跃度,从而让大脑高效工作。
这项研究揭示了章鱼作为一种宝贵的模式生物在进化过程中获得了独特的认知能力,这为我们理解认知功能相关的神经机制提供了重要线索。通过深入探索章鱼的记忆网络,我们可以解开头足纲动物复杂的认知过程,并丰富对不同物种记忆过程的理解。随着对章鱼认知能力研究的持续深入,我们有望从中获得更多的启示,推动认知科学领域的进一步发展。
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