大腦中的神經(jīng)元似乎遵循獨(dú)特的數(shù)學(xué)模式

參與人腦計劃的研究人員已經(jīng)確定了控制我們大腦中神經(jīng)元分布的數(shù)學(xué)規(guī)則。

該規(guī)則預(yù)測了神經(jīng)元在大腦不同部位的分布方式，并可以幫助科學(xué)家創(chuàng)建精確的模型來了解大腦的工作原理，并為神經(jīng)系統(tǒng)疾病開發(fā)新的治療方法。

在統(tǒng)計學(xué)的奇妙世界中，如果你考慮任何連續(xù)的隨機(jī)變量這對數(shù)該變量通常遵循所謂的對數(shù)正態(tài)分布。由平均值和標(biāo)準(zhǔn)差定義，它可以可視化為鐘形曲線，只是曲線比您在正態(tài)分布中找到的曲線更寬。

來自德國于利希研究中心和科隆大學(xué)的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，不同哺乳動物神經(jīng)組織外層區(qū)域的神經(jīng)元數(shù)量符合對數(shù)正態(tài)分布.

撇開數(shù)學(xué)不談，一個簡單而重要的區(qū)別是正態(tài)分布鐘形曲線的對稱性和對數(shù)正態(tài)分布的不對稱性和嚴(yán)重的右偏尾，這是由于大量小值和一些顯著的大值。

一個國家的人口規(guī)模通常是正態(tài)分布的，有幾個非常大的城市和許多小城鎮(zhèn)和村莊。

大腦結(jié)構(gòu)和功能取決于神經(jīng)元的數(shù)量和排列。該外層組織層的不同區(qū)域和層中的神經(jīng)元密度 –大腦皮質(zhì)– 差異很大。

“神經(jīng)元密度的分布會影響網(wǎng)絡(luò)連接，”說尤利希研究中心的神經(jīng)科學(xué)家薩沙·范·阿爾巴達(dá)（Sacha van Albada）。

“例如，如果突觸的密度是恒定的，那么神經(jīng)元密度較低的區(qū)域?qū)⒔邮盏矫總€神經(jīng)元更多的突觸。

神經(jīng)元密度的統(tǒng)計分布在很大程度上仍然未知，盡管研究確實為我們提供了引人入勝的信息關(guān)于我們大腦細(xì)胞組織的發(fā)現(xiàn).

為了進(jìn)行研究，該團(tuán)隊使用了九個開源數(shù)據(jù)集，涵蓋七個不同的物種：小鼠，狨猴，獼猴，加拉戈，貓頭鷹猴，狒狒和人類。當(dāng)比較大腦皮層不同區(qū)域的神經(jīng)元密度時，出現(xiàn)了對數(shù)正態(tài)分布的常見模式。

“我們的研究結(jié)果與觀察結(jié)果一致，即大腦的許多特征都遵循對數(shù)正態(tài)分布，”作者在他們的論文中寫道.

對數(shù)正態(tài)分布是乘法過程的自然結(jié)果，就像正態(tài)分布是許多自變量相加的自然結(jié)果一樣。

“它在自然界中可能非常普遍的一個原因是，它是在取許多自變量的乘積時出現(xiàn)的，”說亞歷山大·范·梅根（Alexander van Meegen）共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，這是他在于利希研究中心（Jülich Research Centre）攻讀計算神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位的一部分。

研究人員表示，大腦皮層的結(jié)構(gòu)方式可能是發(fā)展或進(jìn)化的副產(chǎn)品，與計算無關(guān)。

但以前的研究表明大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變異不僅僅是一個副產(chǎn)品，它可能積極地幫助動物在不斷變化的環(huán)境中學(xué)習(xí)。事實上，在不同的物種和皮層的大部分部位都可以看到相同的組織，這表明對數(shù)正態(tài)分布被用于某些事情。

“我們無法確定神經(jīng)元密度的對數(shù)正態(tài)分布將如何影響大腦功能，但它可能與高網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)性有關(guān)，這在計算上可能是有益的。解釋共同主要作者Aitor Morales-Gregorio，Jülich研究中心的計算神經(jīng)科學(xué)家。

科學(xué)家們希望這一發(fā)現(xiàn)能夠揭示大腦如何存儲和檢索信息，以及它如何獲取新知識。在不斷尋求有效的治療方法對于腦部疾病，它可能為創(chuàng)造針對大腦特定區(qū)域的新藥鋪平道路。

這人腦計劃為促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)、計算和腦相關(guān)醫(yī)學(xué)建立共享研究基礎(chǔ)設(shè)施的十年努力即將結(jié)束，它給了我們一些有趣的發(fā)現(xiàn)一路走來。

該研究已發(fā)表在大腦皮質(zhì).

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