[每日一图|科普神经科学] (5) 2011-03-03

神经细胞的数字语言

人类大脑里面的神经细胞们,无论使用何种神经递质作为化学语言,它们都能够发放动作电位.传统地来讲有动作电位才有输出,每一个动作电位都有一个固定单位的输出,也就是神经细胞的数字编码.在单个细胞或集群细胞的水平,一般认为神经细胞发放动作电位的timing(即时间性质如频率,先后,有或无,相对时间等)是编码各种信息的媒介.就好比对于收音机来讲频率快快慢慢变化的电磁波就是承载蕴声音信息的媒介.

要了解动物甚至人类的大脑里面的神经细胞是如何发放动作电位的,特别是当动物(或人)进行某种认知活动的时候,他大脑里面的神经细胞如何活动,科研工作者可以使用一种叫做single unit recoding(单细胞胞外记录)的实验方法.如下图所示,把一个电压表的一端做成金属电极(外漆绝缘只有尖端导电)插入脑组织里面,另一端接地,当金属电极的尖端接近某个正在发放动作电位的神经细胞的时候就能够在电压表上面记录到钠钾电流导致的局部电位改变,也就是记录到了这个神经细胞的每一个动作电位.下图左上就是实际记录到的某个神经细胞发放的动作电位,横轴是时间,每一条竖线就代表一个动作电位.左下图是它的一部分的放大图.

现今的科学家会同时在自由活动的动物大脑内插入一组几十根这样的微电极,每个电极通常可以记录到1~2个神经细胞的动作电位,这样就得到了许多神经细胞在特定认知活动中的表现,进而经过复杂的数据处理推测出他们独特的功能或参与了什么样的信息加工过程.

下图的下半部分取自Patricia Goldman-Rakic 1996年发表在PNAS(美国科学院院刊)上面的论文.她在一只猴子的脑内植入了微电极，然后在猴子进行工作记忆任务的时候记录到了这些数据.图中那些有疏有密的小竖线每个就代表了一个动作电位,八个方向的小图分别是当猴子看处于八个不同方向的物体时这个细胞的不同表现:可见记录到的这个细胞只在物体出现在135度方向时忽然增加发放了很多的动作电位,90度和180度方向次之,当物体在其他方向时这个细胞的发放没有特别变化.这证明了记录到的这个神经细胞只"认识"这个方向,可能与编码物体运动方向有关.