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大脑的秘密平衡：兴奋与抑制
研究揭示，大脑信息处理效率最高时，兴奋与抑制神经元活动需达到微妙平衡。这不仅稳定大脑，还优化了对外界信号的编码能力。
大脑如何高效处理信息？科学家们一直试图解开这个谜团。信息的加工离不开不同神经元群体之间复杂的连接，而神经科学的一个核心目标，就是探索这些连接如何影响大脑的功能。最近，来自帕多瓦大学、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所和洛桑联邦理工学院的研究者们联手完成了一项研究，试图揭示兴奋性神经元和抑制性神经元在信息编码中的角色。他们的成果发表在《物理评论快报》上，指出当这两种神经元的活动达到平衡时，大脑的信息处理能力会达到巅峰。
“我们的研究源于神经科学中的一个基本问题：大脑的结构如何塑造它的信息处理能力？”论文共同作者Giacomo Barzon在接受《Medical Xpress》采访时说。大脑无时无刻不在接收和整合感官信息，而神经元并非独自作战，它们嵌套在复杂的循环网络中。一个引人注目的特点是，兴奋性神经元和抑制性神经元的活动平衡，这种现象在不同脑区中都能观察到。比如，当你听到一声鸟鸣，大脑不仅要迅速反应，还要将这短暂的声音与记忆中的旋律联系起来，这背后可能就隐藏着两种神经元微妙的协作。
这项研究的重点不仅在于确认这种平衡是否能稳定神经活动，更在于探索它是否还能优化信息处理。共同作者Daniel M. Busiello解释道：“受到多项实验和理论研究的启发，我们构建了一个模型，捕捉兴奋性与抑制性神经元之间的相互作用，并通过分析和数值模拟，研究它们对外界信号的反应。”他们借助信息论工具发现了一个关键的权衡：如果神经网络专注于长时间尺度上的精确编码，就可能对输入信号的快速变化反应迟钝。就像一个专注听讲座的人，可能错过门外突如其来的喧闹。
通过数学和理论方法，研究者们进一步证明，当兴奋与抑制神经元的活动处于稳定边缘——一个临界状态时，信息处理效率最高。这种状态就像走钢丝，既不能过于兴奋，也不能过度抑制。他们的发现表明，这种平衡的微调不仅是稳定大脑活动的关键，还可能在大脑高效编码信息中扮演核心角色。
另一位共同作者Giorgio Nicoletti补充说：“从信息论的角度，我们展示了兴奋与抑制的相互作用如何让神经群体更好地编码随时间变化的外部信号。这很有趣，因为兴奋-抑制平衡早已被认为是调节神经活动的重要因素，而我们的方法能用信息作为物理量来量化这种效应。”想象一下，当你试图记住一段旋律时，大脑需要在兴奋的“记下它”和抑制的“别跑神”之间找到最佳状态。
这项由Barzon、Busiello和Nicoletti完成的研究，为探索信息处理及其背后的神经机制开辟了新路径。他们计划在未来基于这一成果，研究更复杂的大脑连接结构。Barzon还提到：“在真实的神经网络中，连接并非一成不变，它会随外部刺激和内部活动而演变。这种动态特性可能深刻影响神经群体如何处理和编码信息，或许还能揭示学习和适应性如何塑造大脑的信息编码能力。”从鸟鸣到记忆，大脑的每一次跳跃，都可能是这场平衡游戏的生动演绎。
