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東海大學應用物理學系-最新消息-總覽-本系施奇廷教授大腦結構研究成果,登上國際頂尖期刊

本系施奇廷教授大腦結構研究成果,登上國際頂尖期刊

  • 單位 : 物理系
  • 分類 : 總覽
  • 點閱 : 658
  • 日期 : 2019-12-04
 
左:小小的果蠅體內,蘊藏了大腦的奧秘 右:果蠅大腦「連結體」,以單一神經元重建的大腦網路

研究速報!腦科學新突破!果蠅大腦精細至單一神經細胞的連結網路徹底剖析!

本系施奇廷教授領軍的研究團隊,與清華大學腦科學研究中心合作,以兩萬顆的果蠅神經細胞,進行「逆向工程」重建了果蠅大腦以單一神經細胞為基本單元的神經網路,並且深入分析其網路結構,讓我們對動物大腦結構的認識又跨出了一大步。研究成果刊載於「神經資訊學」(Neuroinformatics),其影響係數在「跨領域資訊科學」此類別的106種期刊中排名第9,屬於頂尖期刊。

本研究利用「複雜網路理論」分析,發現這兩萬顆神經元可以依其連結強度分為八個群組,分別對應到果蠅的左右側嗅覺區、嗅覺核心、左右側視覺區、聽覺區、動作前決策區、動作啟動區,這種將複雜的網路進行分群方法,也可視為人工智慧中的「非監督式學習」技術的一種。

過去許多研究指出在自然界或是社會科學領域中出現的網路結構都具有「小世界」的特性——任何一個節點只需要透過少數連結就可以與網路中的所有節點產生連結,這就是大家所熟知的「六度分隔理論」:你的「朋友」算第一度連結,「朋友的朋友」為第二度連結,依此類推,只需要到第六度,你就可以跟全世界的七十億人建立連結。本研究再度證明大腦也是個「小世界網路」,這並不意外,因為小世界網路的資訊流通與處理的效率較高,有利於生物存活。不過有趣的是,如果把八大分區各自分析,則可以發現依其功能的不同,有些分區是小世界,有些則否,但是八大分區結合起來,又成為一個小世界網路,這是過去的網路研究中所沒有發現的特性。

本研究也利用「中心度」來衡量每個神經元在各種功能中的重要程度並進行個別神經元功能的預測,這對於未來進行各種腦科學實驗的設計,可以提供有效的引導,可望大幅提升實驗的效率。

本研究為跨領域、跨機構的合作研究,施教授為論文第一作者與通訊作者,另外兩位主要合作者為清華大學生命科學院院長,也是本系合聘講座教授江安世院士,以及清大系統神經科學研究所所長羅中泉教授。這篇文章在學科方面跨物理、資訊、生物三個領域;在方法方面為理論、計算與實驗之三方合作。現在是跨領域研究的時代,結合不同的學門與不同的方法,往往能激發出新的火花!

果蠅大腦網路拓樸圖,可分為八個功能區,分別以不同顏色表示。