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World File Search System大脑皮层
大脑皮层锥体神经元的计算能力
皮质锥体神经元的电活动由结构稳定、形态复杂的轴突树突树支持。轴突和树突在长度或口径方面的解剖差异反映了神经信息输入或输出的底层功能特化。为了正确评估锥体神经元的计算能力，我们分析了 NeuroMorpho.Org 数据库中的大量三维数字重建数据集，并量化了小鼠、大鼠或人类大脑皮层不同区域和层次的基本树突或轴突形态测量值。根据获得的形态测量数据对参与神经元电脉冲的离子总数和类型的物理估计，结合活动大脑消耗的葡萄糖所驱动的神经递质释放和信号传导的能量，支持在热力学允许的 Landauer 极限下进行高效的大脑计算，从而实现不可逆的逻辑运算。电压感应 S4 蛋白 Na + 、K + 或 Ca 2+ 离子通道 α 螺旋中的单个质子隧穿事件非常适合用作单个 Landauer 基本逻辑运算，然后通过穿过开放通道孔的选择性离子电流进行放大。这种计算门控的小型化允许在人类大脑皮层中每秒执行超过 1.2 个 zetta 逻辑运算，而不会因释放的热量而燃烧大脑。
外周触觉反馈对大脑皮层内的影响...
摘要 — 皮层内脑机接口 (iBCI) 为瘫痪患者提供了一种通过从大脑活动解码的信号来控制设备的方法。尽管这些设备最近取得了令人瞩目的进展，但它们的控制水平仍然无法达到健全人的水平。为了实现自然控制并提高神经假体的性能，iBCI 可能需要包含本体感受反馈。为了通过机械触觉刺激提供本体感受反馈，我们旨在了解触觉刺激如何影响运动皮层神经元并最终影响 iBCI 控制。我们为四肢瘫痪患者的后颈提供了皮肤剪切触觉刺激来替代本体感受。通过使用单丝测试套件评估触觉灵敏度来确定颈部位置。参与者能够以 65% 的准确率正确报告 8 个不同方向的后颈皮肤剪切。我们发现运动皮层单元对剪切刺激表现出感觉反应，其中一些单元对刺激有强烈的响应，并可以通过余弦形函数很好地建模。我们还演示了在线 iBCI 光标控制，该控制由解码的命令信号驱动，并带有连续的皮肤剪切反馈。与纯视觉反馈条件相比，当参与者获得触觉反馈时，光标控制性能略有提高，但效果显著。
Rio-Bermudez.大脑皮层.2020.pdf - Blumberg 实验室
主动睡眠 (AS) 为同步皮质和皮质下结构内及之间的神经活动提供了独特的发展环境。在一周大的大鼠中，肌阵挛性抽搐的感觉反馈（AS 的特征性相位运动活动）会促进海马体和红核（中脑运动结构）中相干的 θ 振荡 (4-8 Hz)。抽搐的感觉反馈还会以纺锤波爆发的形式触发感觉运动皮质中的节律活动，纺锤波爆发是由 θ、α/β（8-20 Hz）和 β2（20-30 Hz）频段中的节律成分组成的短暂振荡事件。在这里，我们想知道这些纺锤波爆发成分中的一个或多个是否从感觉运动皮质传递到海马体。通过同时记录 8 日龄大鼠的胡须桶状皮质和背侧海马，我们发现 AS（而非其他行为状态）会促进皮质-海马相干性，尤其是在 beta2 波段。通过切断眶下神经以阻止胡须抽搐的感觉反馈传递，AS 期间的皮质-海马 beta2 相干性显著降低。这些结果证明了感觉输入（尤其是在 AS 期间）对于协调这两个正在发育的前脑结构之间的节律性活动的必要性。
人类生命周期中大脑皮层连接的模块化组织
人类大脑的网络结构有助于塑造神经活动，影响认知和行为过程。在整个生命周期中都可以获得神经影像数据，这使我们能够监测这种结构如何重组，以及如何受到学习、适应、成熟和衰老等过程的影响。可以使用网络科学工具分析大脑连接的变化模式，这可用于揭示模块化网络拓扑等组织原则。网络模块的识别至关重要，因为它们将大脑解析为连贯的子系统，并允许不同大脑区域之间进行功能整合和分离。在这项工作中，我们通过开发基于集合的多层网络方法来研究大脑的模块化组织，这使我们能够将结构连接模式的变化与发育和衰老联系起来。我们表明模块化结构表现出线性和非线性的年龄相关趋势。在生命早期和晚期，社区更加模块化，我们将这种高模块化的起源追溯到大脑连接的两个不同基础，与集群内边缘的数量和权重有关。我们还表明，衰老会导致模块逐渐重新配置，并在半球之间重新分布。最后，我们确定了对网络重构贡献最大的大脑区域以及在整个生命周期中保持更稳定的大脑区域。
人类大脑皮层的计算功耗不到 0.2 瓦，但考虑到通信成本，这种巨大的功耗却是最佳的
达尔文进化论倾向于产生节能的结果。另一方面，能量限制了计算，无论是神经和概率计算，还是数字和逻辑计算。在建立节能观点之后，我们定义计算并构建一个可优化的能量约束计算函数。该函数意味着 ATP 消耗过程之间的特定区分，尤其是计算本身与动作电位和其他通信成本。因此，这里对 ATP 消耗的划分与早期工作不同。计算的 bits/J 优化需要对人脑进行能量审计。划分和审计显示，大脑皮层计算消耗 0.2 瓦 ATP，而长距离通信成本却是大脑的 20 倍多，而不是使用经常被引用的 20 瓦葡萄糖（1、2）。bits/joule 计算优化意味着瞬时信息速率超过 7 bit/sec/神经元。