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视皮层的下行反馈选择性地调节从丘脑到视皮层的视觉信息输入
发布日期:2017-01-22    浏览次数:224

大脑的一个显着特征—以视觉系统为例—是来自外界的感觉刺激的获取以及认知的产生是由大脑皮层内相互平行的上行投射与下行反馈神经系统共同完成的。在神经突触连接的数量上,神经元下行反馈远大于上行投射,揭示这些广泛分布的神经反馈的功能、组织结构以及它们如何参与调控、整合上行投射视觉信号的神经机制是当前视觉神经科学家的重大挑战。2016年12月17日《Cerebral Cortex》期刊在线发表了中科院神经科学研究所、神经科学国家重点实验室以及脑科学与智能技术卓越创新中心王伟研究组题为《视皮层反馈对丘脑外膝体神经元感受野反应特性的局部增益调节》的研究论文。该研究采用在体神经电生理和神经药理学实验方法,探索初级视皮层第6层反馈神经元是如何通过调制丘脑外膝体神经元感受野的空间反应特性,从而调制视觉信号在丘脑外侧膝状体和初级视皮层神经环路中的信息加工和处理。

图1:A,研究方法和实验流程。V1的第6层提供> 60%的单和双突触输入到丘脑外膝体(dLGN)。研究人员使用微电泳方法在V1区第6层施加GABAB拮抗剂CGP,定点地局部增强V1反馈细胞的视觉反应,并同时记录多个dLGN细胞二维空间感受野(RF)的反应。B,在V1的因果药理学操纵之前,期间和之后的V1和dLGN的细胞RF示例图。C,两个同时记录到的dLGN细胞显示在V1因果操作期间其反应增益的变化,一个增加(细胞2), 另一个则减少(细胞1)。D,大多数因果效应与V1细胞的最优方位调谐功能相关。

利用当前最新的光遗传学手段,在大小鼠模型上研究视觉反馈的功能,获得了很大进展, 但由于是大面积光照刺激视皮层整体表面,而非局部定点直接光刺激第6层反馈神经元,因此所揭示的是非专一的视皮层整体反馈调控效应。通过微电泳GABAB受体拮抗剂,局部增强(Focal activation)视觉模型动物猫初级视皮层V1区第6层群体细胞的反应(即在一个方位选择性功能柱内的定点局部区域),王伟研究员等研究了背外侧膝状核(外膝体)单细胞感受野的二维空间结构和反应增益的因果变化关系(causal relationship)(图一)。研究发现,这种局部定点增强的视皮层第6层反馈输入可以增强或抑制外膝体神经元的视觉反应。受调制的外膝体神经元的感受野,存在视网膜空间位置的拓扑特异性,即与视皮层神经元的最优方位朝向密切相关。此外,局部定点增强的视皮层反馈输入还造成了外膝体神经元感受野的增大,缩小或感受野中心的漂移,这些细胞感受野位置的变化,与在高级皮层区域观察到的空间注意的效果一致。这些结果表明,视皮层第6层反馈神经元,可以根据视皮层神经元的视觉偏好特征,调节丘脑神经元的反应增益和空间滤波特性。因此,通过丘脑—视皮层—丘脑神经环路(reciprocal circuits),V1第6层反馈神经元可以灵活地调节与视皮层神经元反应特性相关联的视觉信息,从丘脑流向视皮层(图二),从而动态地适应不断变化的视觉环境和视觉任务。

图2:当前工作总结:前馈与反馈神经投射和功能连接(Functional connectivity),其一个重要特征是反馈的调节功能匹配前馈神经连接的功能特异性。

预测编码理论(“贝叶斯大脑”)是目前最流行的关于大脑是如何工作的重要假说,它提供了适用于从突触到精神分裂症等复杂疾病的一个大脑工作原理框架,用来了解大脑内在连接和工作模式。王伟研究员等的早期研究发现(Wang et al., Nat.Neurosci.2006; Andolina et al., PNAS, 2007)已被使用预测编码理论的视觉计算模型成功预测和模拟。本研究工作为自上而下的视觉感知计算建模增加了另一个维度空间。

该工作由神经科学研究所王伟研究员,Ian M. Andolina副研究员, 博士后陆一梁及其伦敦大学学院(UCL)的合作者,在中国国家自然科学基金资助项目31571078和81601628、973项目、神经科学国家重点实验、BBSRC-G022305和MRC-G0701535支持下完成。