Next generation Human Neocortical Neurosolver model with biophysically realistic somatic, dendritic and synaptic dynamics

人类大脑是一个由电活动构成的广阔而复杂的景观，但对于试图理解我们如何思考、感受或感知世界的科学家来说，其中的大部分活动仍然是隐藏的。我们可以通过头皮上的传感器来记录大脑的电磁低语，即脑电图（EEG）或脑磁图（MEG）。这些工具捕捉到了数十亿神经元同步放电的集体轰鸣，然而它们所记录的信号就像是在体育场外听到观众的欢呼声，却无法看到每一位具体的观众。为了理解噪声背后的故事，研究人员必须在这些大规模信号与大脑内部微小的、微观的电路之间架起桥梁。这需要一种方法，将大脑活动的宽泛波形转化回单个细胞的具体行为，由于人类神经元的电学特性与动物相比一直难以了解，这项任务长期以来一直具有挑战性。

现在，一个研究团队构建了一个显著改进的数字模型来解决这一问题，为洞察人类大脑如何产生其电学特征提供了一个更清晰的窗口。他们创建了一个名为“人类新皮层神经求解器”（Human Neocortical Neurosolver）的高级计算机模拟程序，它充当了微观细胞世界与宏观大脑扫描世界之间的翻译官。这个新版本的模型之所以特别，是因为它不再主要基于大鼠或猴子的数据。相反，研究人员利用来自人类捐赠者的最新数据，对虚拟神经元进行了调整，使其与人类脑组织的实际电学行为相匹配。通过这样做，他们创建了一个不仅可以模拟基础神经元放电，还可以模拟大脑细胞长分支内部发生的复杂且隐藏事件的工具，而这些事件在人类背景下此前是无法追踪的。

这项工作的核心在于重建大脑外层——新皮层的数字架构，重点关注两种主要的细胞类型：作为主要传递者的锥体神经元，以及作为刹车以保持网络平衡的抑制性中间神经元。在之前的模型版本中，为了提高计算机模拟的速度，这些细胞被简化了，但它们缺乏真实人类组织中所发现的特定电学特性。研究人员通过调整这些虚拟细胞的内部导体和开关来更新模型，使其与人类神经元的记录相匹配。他们发现，人类神经元的行为与动物不同，特别是在处理从细胞体向其长树状分支（称为树突）传输的电信号方面。

该模型最重大的发现之一是模拟钙脉冲（calcium spikes）的能力，即发生在某些神经元深处树突内的电活动爆发。在人类大脑的深层，特别是第五层，这些神经元在接收到特定模式的输入时可以产生强大的钙脉冲。这些脉冲不仅仅是随机的噪声；它们是复杂的事件，能够整合来自大脑不同部分的信息，并可能触发细胞向身体其他部分发送信号。研究人员证明，他们的新模型可以重现这些钙脉冲，显示出当神经元接收到快速连续的信号或同时接收到来自两个不同方向的输入时，就会发生这种情况。这是一个至关重要的补充，因为这些树突事件现在被已知会对我们在头皮上测得的大规模电信号产生贡献，这意味着我们在脑扫描中看到的现象，可能部分是由这些隐藏的、深层大脑事件驱动的。

团队还优化了这些虚拟细胞相互连接的方式。在大脑中，神经元的放电并非随机，而是遵循精确的模式，其中连接强度取决于细胞之间的距离。新模型纳入了这些依赖距离的规则，确保距离较近的细胞比距离较远的细胞拥有更强的相互影响。他们调整了细胞间传递的化学信号（即神经递质），使其匹配人类组织中观察到的速度和强度。这包括更新抑制性细胞使邻近细胞沉默的方式，确保这些“刹车”的时序符合人类脑片中观察到的缓慢、审慎的节奏，而非啮齿动物中较快的节奏。

利用这个更新后的模型，研究人员测试了他们重建现实世界大脑模式的能力。他们模拟了大脑对突然触碰的反应——这是一个常见的实验，即一个人感觉到皮肤被轻拍，其大脑会产生特定的电波。新模型成功地重现了这些波形的形状和时序，与从人类参与者那里记录的数据相吻合。它还模拟了大脑的自然节律，例如大脑在静息或运动时出现的 α 波和 β 波。在这些模拟中，模型展示了兴奋性细胞与抑制性细胞之间的相互作用是如何产生这些节律性爆发的，以及新的、更真实的人类细胞特性是如何改变这些节律生成方式的。

研究人员还探索了大脑的不同部分如何对最终信号做出贡献。他们发现，深层神经元凭借其长分支和产生钙脉冲的能力，在产生 EEG 和 MEG 所测得的大规模电流中起着主导作用。模型揭示了深层细胞中的钙脉冲会产生一种持续的电拉力，这种拉力的持续时间比上层细胞快速闪烁的活动要长。这表明，我们在脑扫描中看到的巨大波形不仅仅是所有神经元放电的简单叠加，而是深受这些发生在深层的特定、复杂事件的影响。通过可视化虚拟细胞内电流的流动和钙离子的移动，研究人员可以准确看到单个神经元的微观动作是如何汇聚成宏观信号的。

这项工作代表了理解人类大脑的一个重大进步，因为它超越了基于动物数据的推测。研究人员称之为 duecker_ET_model 的新模型是基于人类神经元的实际生理学构建的，这使其成为解释脑扫描更可靠的工具。它允许科学家测试关于当我们思考、感受或遭受神经系统疾病时，大脑内部发生了什么的假设。例如，如果一名患者具有异常的脑波模式，研究人员现在可以使用该模型来查看问题是否可能是由深层钙脉冲异常或抑制信号的时序不匹配引起的。该模型向其他科学家开放使用，提供了一个共同的平台，以便以以前无法触及的细节水平来探索人类心灵的奥秘。

研究人员谨慎地指出，他们的模型是一种简化，旨在保持计算效率的同时捕捉大脑的核心行为。他们没有包含每一种类型的神经元或细胞结构的每一个微小细节，因为这样做会使模拟运行过慢而无法投入使用。相反，他们专注于对产生可测量电信号至关重要的特征。他们承认，尽管其模型重现了许多人类神经元的特征，但在信号沿长分支传输的方式上，模型与现实之间仍存在差异。然而，通过将模型建立在人类数据之上，他们创建了一个比以往尝试都更为准确的基础。

最终，这篇论文为观察人类大脑提供了一个全新的视角。它将抽象的 EEG 和 MEG 波形转化为关于特定细胞、特定连接和特定电学事件的故事。通过展示人类神经元具有独特的属性（例如产生塑造我们脑波的钙脉冲的能力），研究人员为理解大脑运作方式开辟了新的途径。该模型作为一个桥梁，连接了不可见的细胞生物学世界与可见的大脑成像世界，让我们能够以比以往任何时候都更清晰的方式，观察思维背后的机制。