一心多用? 大腦神經元也懂分時多工?

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在每日生活中,人體會常同時面對許多刺激或事件,大腦中的感覺神經元會進行整併並且對多種的刺激產生反應,但其詳細作用機制,仍不清楚。

對此,杜克大學的新研究發現,大腦中的神經元好比數位通訊的分時多工(Time Division Multiplex, TDM)技術,能將二個以上的訊號或資料流按照某一特定的時間切割成數個傳輸通道,使訊號可以同時在一條通訊線路上傳輸,該研究刊登於《Nature Communications》。

該研究團隊以猴子為實驗模式,首先使牠們坐在黑暗的房間裡,訓練牠們朝著牠們聽到的聲音方向看。然後,研究人員會播放一種聲音或兩種聲音,每種聲音的頻率不同,而且來自不同的位置。當研究人員一起演奏二種聲音時,猴子首先會朝一個聲音的方向看,然後再朝另一個聲音的方向看,此結果顯示猴子能辨識出二個不同聲音的存在。

接著,為了找出猴子的大腦如何同時編碼二種聲音,他們在大腦的聽覺訊息傳遞路徑中的關鍵點——下丘(inferior colliculus),使用電極來測量神經元放電(neurons firing)引起的局部電場中的小​​尖峰。然後,他們研究單一神經元對單個聲音和組合聲音的反應,並且使用一系列先進的動態混合點過程模型的統計方法,從數據中提取更詳細的模式。最後,他們發現發現單一神經元能藉由一個放電頻率對一個聲音作出反應,而透過另一個不同的放電頻率來對另一個聲音做出反應。當二個聲音同時播放時,它似乎在二個放電頻率之間波動。有時波動夠快速,以至於神經元能在聲音出現後半秒內切換,而在其他情況下切換較慢。

對此,該研究團隊表示,他們重複了洛克菲勒大學(The Rockefeller University)神經科學和行為學教授 Winrich Freiwald 進行的實驗數據的統計分析。Freiwald 教授先前研究猴子看見一張臉或兩張臉的圖像時,其皮質視覺區域中單個神經元的放電率。當牠們辨識二張臉圖像時,分析顯示相同的切換模式。

該研究使我們知道大腦的單一神經元能做多件事,也可能提供了其他情況的線索,例如幫助我們理解一心多用的機制,雖然該研究並不直接測試一心多用,但未來若能進一步研究,可能有助於解釋這些限制。

延伸閱讀:神經元之間竟能傳遞遺傳訊息! Arc 基因扮演關鍵角色

參考資料:
1. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05121-8
2. https://today.duke.edu/2018/07/neurons-can-carry-more-one-signal-time
3. https://www.rockefeller.edu/news/23296-monkey-studies-reveal-possible-origin-human-speech/

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