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被诊断患有自闭症谱系障碍（ASD）的个体表现出与神经典型人群不同的神经和行为特征。这可能源于一种计算原理，该原理将推理和计算动力学与神经元群反应的动态范围联系起来，反映了系统响应的信号水平。
2024年11月27日，耶路撒冷希伯来大学Edmond与Lily Safra脑科学中心Oded Wertheimer和心理学系 Yuval Hart（通讯作者）（IF=21.2）期刊发表了题为“Autism spectrum disorder variation as a computational trade-off via dynamic range of neuronal population responses”的研究论文。研究提出了一种生物学机制，该机制可能导致ASD神经元反应的动态范围增加。自闭症研究的一个主要目标是找到ASD神经活动和行为差异的驱动因素。以往研究提出的模型尽管提供了对ASD变异的见解，但与ASD相关的各种非典型行为和神经活动的计算原理仍然未知。本研究假设ASD变异归因于一种计算原理，该原理将推理（例如，准确性和编码能力）和动态特征（例如，适应性和更新频率）与信号编码期间神经元群体反应的动态范围联系起来。通过数值模拟和实验数据分析证明，神经元群体反应的动态范围（IDR） 增加可以驱动ASD中的各种差异。动态范围是指传感系统响应的输入信号值的范围。如果系统的响应在较窄的信号值范围内急剧变化，则动态范围较小。相反，如果响应在较宽的信号值范围内逐渐变化，则动态范围较大。图1 渐进响应函数需要一个能允许更好地区分远离信号范围中间的附近输入信号值的IDR神经元活动的增强变异性是ASD个体和NT个体之间的显着差异。因此，研究评估了神经元群体在面对噪声时反应的可变性，测试了三种不同的模型：具有逐渐反应的神经元群、具有急剧反应的神经元群和具有急剧反应和E：I比率增加的神经元群。图2 动态范围的增加使神经元群体反应的方差范围扩大被诊断患有ASD的个体在听觉和运动任务中对环境变化的更新率较慢，研究测试了在使用optimal Bayesian inference（Kalman filter）跟踪突然信号变化时，增加的动态范围模型是否可以解释较慢的更新速率。图3 动态范围的增加会导致响应突然变化的更新速度变慢在双眼竞争任务中，不同的图像同时呈现给每只眼睛，并且感知在不同状态之间有所不同：两种“纯”状态是仅对两个图像之一的感知，或者一种“混合”状态是对两个图像混合的感知。与匹配的NT个体相比，被诊断患有ASD的个体在两种纯状态之间的转换速率较慢，并且在纯状态下的持续时间缩短。图4 增加的动态范围会降低状态转换的速率，并增加在双眼竞争任务中处于混合状态的时间以往对动作一致性任务的研究发现，与NT个体相比，ASD个体表现出更高的检测阈值。在任务中，参与者查看随机移动的点，其中一部分连贯移动以产生运动感知，并被要求识别运动方向。检测阈值是参与者可靠报告方向所需的连贯移动点的百分比。也有研究发现ASD个体在短期刺激持续时间内的阈值增加，而在较长时间内具有相似的阈值。图5 对于较短的积分时间，动态范围的增加会导致决策中的检测阈值升高Fisher 信息衡量编码方案提供了多少有关编码信号的信息，值越高表示局部推理越准确。因此，它衡量编码方案的信息容量。图6 增加的动态范围会改变编码方案并降低总编码容量图7 单个神经元的半激活点的异质性导致动态范围增加图8 神经元半激活点的异质性增加了整个网络自发激活的可能性本研究展示了将推理和计算动力学与神经元群的动态范围联系起来的简单计算原理如何解释ASD变异。增加的动态范围（渐进响应）提供准确的模拟式编码，而窄动态范围（急剧响应）提供具有明确阈值的类似数字的编码。这些编码策略跨越了计算权衡：渐进响应增强了对噪声的辨别力和鲁棒性，而急剧响应允许对变化的快速反应、更高的总编码容量和对完全激活的鲁棒性。研究提出，单个神经元半激活点的异质性增加可以调节神经元群体反应的动态范围。在本研究中，研究人员发现了动态范围增加（IDR）表明神经元群对输入变化的监禁响应，解释了被诊断患有ASD的个体在不同任务中的神经和行为变化。研究认为，单个神经元半激活点的异质性增加可能是ASD中IDR 的生物学机制。综上所述，该模型为一种新的计算原理提供了概念验证，该原理可以解释ASD并生成有关其行为、神经和生物学基础的新的可测试且独特的预测。Wertheimer, O., Hart, Y. Autism spectrum disorder variation as a computational trade-off via dynamic range of neuronal population responses. Nat Neurosci 27, 2476–2486 (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01800-6DOI:10.1038/s41593-024-01800-6，IF=21.2，Q1https://medicalxpress.com/news/2024-11-autism-neural-dynamic-range-insights.html
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编译：富柄淇
校审：展琳琳
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