《腦皮層神經元動作電位的能量效率》是依託復旦大學，由於玉國擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：腦皮層神經元動作電位的能量效率
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：於玉國
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
大腦以數瓦的能量消耗，每秒種卻能執行一千兆次的運算操作來行使複雜的認知和計算功能。這種接近完美的高效節能的生物機制至今還是個迷。高效節能可能是生命遵循的一條規律。可能不僅約束最佳化了大腦神經網路布線結構模式，而且約束最佳化了單個神經元動作電位的產生機制。本課題研究目標：皮層神經元產生和傳導動作電位的能量最佳化機制，及其對最佳神經信息編碼的制約和影響。研究手段：結合計算神經科學方法、信息理論和神經電生理實驗等手段進行綜合交叉研究。研究內容：（1）探討神經元軸突的形態特徵，鈉鉀鈣等重要離子通道亞型的非均勻分布密度、動力學特性，對動作電位能量效率的影響；（2）溫度變化對動作電位產生過程能量效率的影響；（3）能量效率對神經信息編碼的約束最佳化。意義：有助於全面深入地揭示大腦皮層神經元電信號的能量機制。而高效節能的腦電信號能量機制將成為一個新的視窗來揭示大腦的工作原理，並會推動新型智慧型型節能生物仿生技術的發展。
結題摘要
大腦皮層能夠以20瓦特的功率進行每秒一千兆次的計算操作，產生高級認知和信息處理功能。而世界上最先進的超級計算機執行類似的運算操作要消耗一百萬瓦特電能。這種巨大差異說明大腦擁有接近完美的高效節能的能量最佳化機制，相關研究可能會成為一個新的突破點來揭示大腦的工作機制,並可能對開發高效節能的智慧型計算機和腦機對話技術產生巨大的推動作用。我們前期研究發現，高等動物所具有的37度體溫能夠使得神經元在產生動作電位的過程比冷血動物神經元節省4－12倍的能量(PLoS Comp Biology 2012)。我們最近4年又取得如下一系列創新成果： 1高等動物保持37度恆溫的重要意義和價值：我們發現皮層神經元在恆溫狀態具有最高的信息編碼精確度和可靠性；並進一步發現哺乳動物皮層神經元模型的編碼精確度在36－38攝氏度的範圍具有對噪聲環境最強的抗干擾能力（A.J.Comp.Biol.Bioinform.2014）。 2 大腦神經元動作電位的產生和傳輸過程的耗能計算一直不精確，我們構建了適用於任何神經元類型的電纜能量方程，並通過計算機仿真模擬定量揭示了動作電位在軸突的產生和傳輸過程的耗能規律（SCI REP 2016a）。 3為闡明神經網路在信息編碼率和能耗方面的定量關係，我們套用IBM－瑞士超級計算中心的Blue-Gene超級電腦構建了一個大規模的嗅球複雜神經環路數學模型(PLoS Comp Biology 2013) ，發現在學習的過程，神經環路內的突觸興奮性和抑制性神經連結強度會逐漸趨向最佳動態平衡態，實現能耗極少的稀疏編碼和側向抑制過程 (J Neurosci 2014);而且學習經驗增多會進一步最佳化動態平衡並增加網路的稀疏編碼特性（Front. Neuroanat,2016）。我們還發現，在噪聲環境下，存在最佳數量的神經元，使得網路在一定能耗情況下達到最高信息傳輸率（SCI REP 2016b）。 4同樣體重情況，溫血動物比冷血動物擁有大數十倍的大腦，我們發現隨進化出現的體溫和膠質細胞數量比例的迅速增加是促進大腦尺寸增大的關鍵因素，並建立基礎代謝率、溫度和膠質細胞－神經元數量比例依賴的數學模型，可以定量估算所有冷血和溫血動物的大腦質量(BMC Evol Biol 2014)。
