小腦神經的訊號類型轉換

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神經系統運用有限的運算資源要能夠編碼盡可能多的資訊，小腦所要處理的運動資訊內容相當複雜，而其中的 Purkinje cells 是怎麼樣處理這些轉換這些輸入的資訊的呢？研究人員過去就發現了 Purkinje cells 有兩種的活動訊號類型，一是線性的 spike-rate（頻率）訊號，一是非線性的 pause-coding （停頓）訊號。

究竟 purkinje cells 是怎麼達成這兩種訊號的類型轉換呢？首先不得不提到 purkinje cell 最神奇的地方了，就是他會有 dendritic spike ，也就是在 dendrite 發生的 action potential，一種非線性的訊號。這跟我們在基礎的神經科學中學到的相當不一樣。這種非線性的訊號隨後傳送到 soma 、 axon 也改變了 purkinje cell 的輸出訊號型態。

Dendritic spike 到底是個什麼東東呢，首先要知道，我們所看到的那一叢有著複雜的 dendrite 結構的 purkinje cell ，其實是有好幾叢 dendrite cluster 組成的（共 22 叢，圖一），當一個 dendrite cluster 同時接收到好幾個來自上游的刺激時，就會產生非線性的 dendritic spike ，而且這種電位活動是 localize 在單一叢的區域的，也就是說他不太會再擴散到其他 dendrite 叢（圖二）。我們可以在 dendrite 的尖端 (tip) 測量到這種 dendritic activity ，當輸入的刺激數量多到一定程度，我們就能夠觀察到 dendritic spike （圖三），我們也能夠觀察到刺激數量與 dendrtic activity 峰值的關係（圖四），可以看到隨著刺激數量超越某個 “threshold”， dendritic activity 從一種線性模式，切換到了一種非線性模式。

圖一

圖二

圖三

圖四

上述的只是在所有 22 叢 dendritic cluster 中，其中一叢 （第 8 叢）的例子，神奇的是，並不是所有 dendritic cluster 都能夠實現這種轉換的，並且不同的 dendritic cluster 要達到這種轉換的刺激數量 “threshold” 也不一樣（圖五）。這是很令人驚訝的，因為在這個神經的模擬當中，所有的生理資訊都是相同的（我指的是關於 channel, channel conductance 等等的設置）。所以說造成這種 clusters 間不同表現的現象，是完全由 dendrite 的型態造成的。在這之前人們通常不認為 morphology 可以對神經表現產生這樣大的影響。

圖五

撰稿人：周品汝

Reference: Zang, Y., & De Schutter, E. (2021). The cellular electrophysiological properties underlying multiplexed coding in Purkinje cells. Journal of Neuroscience, 41(9), 1850-1863.