研究人员开发了一个计算机模型来解释视觉皮层中神经细胞的连接方式。

当新生儿第一次睁开眼睛时,他们的大脑视觉皮层已经拥有了专门进行特定刺激的神经细胞——但这些神经细胞彼此并没有系统地联系。神经网络如何在特定的时间以特定的方式刺激产生特定的特性的?为了更好地理解这一发展的步骤并解释重组它们涉及的复杂过程,一个国际研究小组的研究人员已经开发出一种计算机模型,它能够精确地模拟生物过程。这项研究结果由教授Stefan Rotter博士、伯恩斯坦中心弗莱堡(BCF)和弗莱堡大学Cluster of Excellence BrainLinks-BrainTools与来自英国伦敦帝国理工学院的Claudia Clopath 博士合作进行,现在已经发表在《公共科学图书馆计算生物学》以及《公共科学图书馆·综合》期刊上。

“我们的模型使我们有史以来第一次在计算机模拟中获得了一个有意义的组合，它具有动物和人体内生物神经网络的典型特征,”来自BCF（伯恩斯坦中心弗莱堡）的神经学家Sadra Sadeh博士表示。“网络利用反馈的原则使视觉系统的神经细胞具有高效探测器的特性。此外,在学习过程中，他们可以精确协调细胞之间的接触点--细胞突触。”很难在计算机模型中把这两个属性相结合,因为它容易导致网络中的爆炸活动——类似于癫痫发作。为了保持网络稳定的活动,研究人员在学习过程中结合了抑制性突触,能够控制网络中的刺激。

现在研究人员可以使用这种计算机模型来模拟大脑视觉皮层中的各种发育过程。除此之外,他们还可以确定出生后两只眼睛第一次收到刺激后神经细胞间的联系如何改变。这些过程在幼儿视觉障碍（如先天性斜视）等视觉疾病中发挥作用。“从长远来看,这些模型甚至可以帮助我们开发更好的策略来治疗这些疾病,”Rotter说。

但如果已经有专门在第一次睁眼时进行特定刺激的神经细胞，为什么在视觉体验的过程中神经网络还会改变他们的结构?研究小组在一个平行实验中发现了这个问题的答案。“在一个比较缺乏经验和充分发展的神经细胞网络模型中,我们能够证明,充分发展的网络进一步加强了刺激的组件,通过连接具有相同功能的神经元携带更多的信息,”Rotter解释道。因此,尽管新生儿第一次睁开眼时确实有能力处理所有刺激，他们的感知通过神经细胞连接的微调得到了提高。