新的研究表明，當神經元獲得有關周圍不斷變化的世界的信息（與任務相關的感覺輸入）時，它會改變它們的行為方式，使它們處於邊緣狀態，這樣微小的輸入就可以引發大腦活動的“雪崩”，這支持了一種理論稱為臨界大腦假說。

神經細胞的顯微鏡圖像，其中熒光標記顯示不同類型的細胞。綠色標記神經元和軸突，紫色標記神經元，紅色標記樹突，藍色標記所有細胞。當存在多個標記時，顏色會合併，並且通常根據標記的比例顯示為黃色或粉色。圖片來源：皮質實驗室

來自Cortical Labs 和墨爾本大學的研究人員使用了DishBrain——一個學習打乒乓球的800000 個人類神經細胞的集合。該研究最近發表在《自然通訊》雜誌上。

這是迄今為止最有力的證據，支持關於人腦如何處理信息的有爭議的理論。根據大腦批判假說，只有當神經元處於邊緣狀態，微小的輸入就可以引發大腦活動的“雪崩”時，大的複雜行為才有可能發生。這種精細平衡的狀態被稱為“神經臨界”狀態，介於兩個極端之間：癲癇等疾病中出現的興奮失控，以及信號停滯的昏迷狀態。

生物技術初創公司Cortical Labs 的首席科學官Brett Kagan 博士表示：“它不僅顯示網絡在接收結構化信息時重組為接近臨界狀態，而且達到該狀態還會帶來更好的任務表現。”結果令人驚訝，遠遠超出了我們的預期。”

這項研究為批判性大腦假說之謎增添了重要的一環。

Forough Habibollahi，該研究的第一作者。

主要發現和啟示

到目前為止，幾乎沒有實驗證據證明臨界性是否是生物神經元網絡的一般特徵，或者是否與信息負載有關。

卡根博士說：“我們的研究結果表明，當神經網絡執行某項任務時，就會出現近乎臨界的網絡行為，而在不受刺激的情況下則不會。”

然而，卡根博士的研究表明，僅靠臨界性不足以驅動神經網絡的學習。他介紹說：“學習需要一個反饋循環，向網絡提供有關某項行動後果的附加信息。”

最新研究強調了DishBrain 有助於解開人類大腦的秘密及其工作原理的潛力，而這在動物模型中是不可能的。

第一作者Forough Habibollahi 博士說：“通常，為了研究大腦，特別是在神經元規模上，研究人員必須使用動物模型，但這樣做會遇到很多困難，而且研究對象的數量也有限，因此，當我看到DishBrain 能夠以其他人無法做到的方式回答不同類型問題的獨特能力時，我非常興奮地開始這個項目並加入這個團隊。”

應用和未來的可能性

醫生們還看到了這項研究在幫助發現嚴重腦部疾病的治療方法方面的巨大潛力。

“DishBrain 關鍵性項目是皮質實驗室、生物醫學工程和神經病學之間一次令人驚嘆的合作經歷，”論文作者、墨爾本大學醫學系神經動力學實驗室負責人Chris French 博士說，“DishBrain 神經元的關鍵動態可以為診斷和治療從癲癇到癡呆等一系列神經系統疾病提供關鍵的生物標誌物。”

通過構建活體大腦模型，科學家將能夠使用真實的大腦功能而不是計算機等有缺陷的類似模型進行實驗，不僅可以探索大腦功能，還可以測試藥物如何影響它。

該論文的作者、墨爾本大學生物信號與生物系統系主任Anthony Burkitt 教授表示，這項研究還有可能解決腦機接口面臨的挑戰，可以恢復因神經損傷而喪失的功能。

“我們目前研究的下一代神經假體和腦機接口的一個關鍵特徵涉及利用實時閉環策略，因此，這項研究的結果可能對理解這些控制和刺激策略如何與大腦中的神經迴路相互作用具有重要意義。生物大腦建模領域還處於起步階段，但為一個全新的科學領域開闢了道路.”卡根博士說。