<p>大腦的大腦皮層根據(jù)被稱為丘腦的區(qū)域提供的感覺(jué)信息產(chǎn)生知覺(jué)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院皮考爾學(xué)習(xí)與記憶研究所威廉&middot;r&middot;和琳達(dá)&middot;r&middot;楊教授艾利&middot;內(nèi)迪維說(shuō):&ldquo;丘腦如何與皮層交流是大腦如何解釋世界的一個(gè)基本特征。&rdquo;盡管丘腦對(duì)皮層的輸入很重要，但鑒于兩個(gè)區(qū)域之間觀察到的連接或&ldquo;突觸&rdquo;相對(duì)較少，神經(jīng)科學(xué)家一直在努力理解它是如何如此良好地工作的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了幫助縮小這一知識(shí)差距，Nedivi在麻省理工學(xué)院內(nèi)外進(jìn)行了合作，應(yīng)用了幾種創(chuàng)新方法。在《自然神經(jīng)科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，研究小組報(bào)告說(shuō)，丘腦對(duì)皮層淺層的輸入不僅罕見(jiàn)，而且出奇地弱，而且分布模式相當(dāng)多樣化。盡管如此，從總體上看，它們是可靠而有效的信息代表，它們的多樣性是這些優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>從本質(zhì)上講，通過(guò)細(xì)致地繪制小鼠視覺(jué)皮層2/3層15個(gè)神經(jīng)元上的每個(gè)丘腦突觸，然后建模這些輸入如何影響每個(gè)神經(jīng)元對(duì)視覺(jué)信息的處理，研究小組發(fā)現(xiàn)，丘腦突觸數(shù)量和排列的廣泛差異使它們對(duì)視覺(jué)刺激特征具有不同的敏感性。雖然單個(gè)神經(jīng)元因此不能可靠地解釋刺激的所有方面，但一小部分神經(jīng)元可以可靠而有效地組合出整體圖像。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;似乎這種異質(zhì)性并不是一個(gè)缺陷;這一特性不僅提供了成本效益，而且還賦予了攝動(dòng)的靈活性和穩(wěn)健性&rdquo;，該研究的通訊作者、麻省理工學(xué)院生物和大腦與認(rèn)知科學(xué)系的教員內(nèi)迪維說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Nedivi實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家Aygul Balcioglu領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作，他補(bǔ)充說(shuō)，這項(xiàng)研究為神經(jīng)科學(xué)家創(chuàng)造了一種方法，可以跟蹤細(xì)胞在輸入發(fā)生時(shí)接收到的所有單個(gè)輸入。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;成千上萬(wàn)的信息輸入涌入一個(gè)腦細(xì)胞。然后，腦細(xì)胞在將自己的反應(yīng)傳達(dá)給下一個(gè)腦細(xì)胞之前，會(huì)解釋所有這些信息。&rdquo;&ldquo;讓我們感到興奮的是，我們現(xiàn)在可以可靠地描述這些輸入的身份和特征，因?yàn)椴煌妮斎牒吞卣飨蚪o定的腦細(xì)胞傳遞不同的信息。我們的技術(shù)使我們能夠描述在活體動(dòng)物中，在單細(xì)胞的結(jié)構(gòu)中，什么樣的信息被整合了。在此之前，這是不可能的。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;MAP&rdquo;ping和建模</p> <p>&nbsp;</p> <p>Nedivi和Balcioglu的團(tuán)隊(duì)選擇了皮層的2/3層，因?yàn)檫@一層具有相對(duì)較高的靈活性，或&ldquo;可塑性&rdquo;，即使在成年人的大腦中也是如此。然而，丘腦神經(jīng)支配很少被描述。此外，Nedivi說(shuō)，盡管這項(xiàng)研究的模型生物是老鼠，但這些層是在進(jìn)化過(guò)程中變厚最多的，因此在人類皮層中起著特別重要的作用。</p> <p>&nbsp;</p> <p>精確地將所有丘腦神經(jīng)支配映射到整個(gè)神經(jīng)元上，感知老鼠是如此令人生畏，從來(lái)沒(méi)有人做到過(guò)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>首先，研究小組使用了Nedivi實(shí)驗(yàn)室建立的一種技術(shù)，可以在雙光子顯微鏡下觀察整個(gè)皮層神經(jīng)元，在同一個(gè)細(xì)胞中同時(shí)使用三種不同的顏色標(biāo)簽，除了在這種情況下，他們使用一種顏色標(biāo)記丘腦輸入，接觸被標(biāo)記的皮層神經(jīng)元。只要這些丘腦輸入的顏色與皮層神經(jīng)元上興奮性突觸的顏色標(biāo)記重疊，就可以顯示出皮層神經(jīng)元上假定的丘腦輸入的位置。</p> <p>&nbsp;</p> <p>雙光子顯微鏡可以深入觀察活體組織，但其分辨率不足以確認(rèn)重疊的標(biāo)簽確實(shí)是突觸接觸。為了確認(rèn)丘腦輸入的第一個(gè)跡象，研究小組求助于麻省理工學(xué)院化學(xué)工程副教授Kwanghun Chung的皮考爾研究所實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的一種稱為MAP的技術(shù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>MAP物理放大了實(shí)驗(yàn)室中的組織，有效地提高了標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡的分辨率。Nedivi實(shí)驗(yàn)室的博士后Rebecca Gillani在Chung實(shí)驗(yàn)室博士后Taeyun Ku的幫助下，能夠?qū)⑿碌臉?biāo)記和MAP結(jié)合起來(lái)，明確地解析、計(jì)數(shù)、繪制，甚至測(cè)量整個(gè)神經(jīng)元上所有丘腦-皮質(zhì)突觸的大小。</p> <p>&nbsp;</p> <p>分析顯示，丘腦輸入相當(dāng)小(通常也被認(rèn)為是微弱的，可能是暫時(shí)的)，只占個(gè)體視覺(jué)皮層神經(jīng)元興奮性突觸的2%到10%。丘腦突觸數(shù)量的差異不僅在細(xì)胞水平上，而且在單個(gè)細(xì)胞的不同&ldquo;樹(shù)突&rdquo;分支上也存在，在給定分支上的突觸數(shù)量在0到近一半之間。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;大眾智慧&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這些事實(shí)給Nedivi的團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)難題。如果丘腦的輸入是微弱的、稀疏的、變化很大的，不僅在神經(jīng)元之間，甚至在每個(gè)神經(jīng)元的樹(shù)突之間，那么它們?cè)诳煽康男畔鬏敺矫婺苡卸嗪媚?</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了幫助解開(kāi)這個(gè)謎題，內(nèi)迪維求助于同事伊丹&middot;塞格夫，他是耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)專門從事計(jì)算神經(jīng)科學(xué)研究的教授。塞格夫和他的學(xué)生邁克爾&middot;多倫利用內(nèi)迪維實(shí)驗(yàn)室的詳細(xì)解剖測(cè)量數(shù)據(jù)和艾倫大腦圖譜中的生理信息，創(chuàng)建了一個(gè)生物物理學(xué)上可靠的皮層神經(jīng)元模型。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Segev的模型顯示，當(dāng)細(xì)胞被喂食視覺(jué)信息(觀察光柵經(jīng)過(guò)眼睛的模擬信號(hào))時(shí)，它們的電反應(yīng)根據(jù)丘腦輸入的變化而變化。一些細(xì)胞對(duì)視覺(jué)信息的不同方面(如對(duì)比度或形狀)的反應(yīng)比其他細(xì)胞更活躍，但沒(méi)有一個(gè)細(xì)胞能透露出更多的整體圖像。但是當(dāng)大約20個(gè)細(xì)胞聚集在一起時(shí)，整個(gè)視覺(jué)輸入可以從它們的聯(lián)合活動(dòng)中解碼&mdash;&mdash;這就是所謂的&ldquo;群體智慧&rdquo;。</p> <p>&nbsp;</p> <p>值得注意的是，Segev將細(xì)胞的性能與Nedivi實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的弱、稀疏和變化的輸入進(jìn)行了比較，與一組細(xì)胞的性能進(jìn)行了比較，這些細(xì)胞都表現(xiàn)得像許多細(xì)胞中最好的單個(gè)細(xì)胞。達(dá)到大約5000個(gè)突觸時(shí)，&ldquo;最好的&rdquo;細(xì)胞組提供了更多的信息，但在這個(gè)水平之后，小的、弱的和多樣化的組實(shí)際上表現(xiàn)得更好。在以至少90%的準(zhǔn)確率代表總視覺(jué)輸入的競(jìng)賽中，小的、弱的、多樣化的組達(dá)到了大約6700個(gè)突觸的水平，而&ldquo;最好的&rdquo;細(xì)胞組需要7900多個(gè)突觸。</p> <p>&nbsp;</p> <p>作者寫道:&ldquo;因此，就精確讀取視覺(jué)特征所需的突觸數(shù)量而言，異質(zhì)性降低了成本。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Nedivi說(shuō)，這項(xiàng)研究提出了關(guān)于丘腦輸入如何進(jìn)入皮層的誘人含義。她說(shuō)，一是考慮到丘腦突觸的尺寸較小，它們可能表現(xiàn)出顯著的&ldquo;可塑性&rdquo;。另一個(gè)原因是，多樣性帶來(lái)的驚人好處可能是一種普遍特征，而不僅僅是第2/ 3層視覺(jué)輸入的特例。然而，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)確定。</p> <p>&nbsp;</p> <p>除了Nedivi, Balcioglu, Gillani, Ku, Chung, Segev和Doron，其他作者是kendall Burnell和Alev Erisir。</p> <p>&nbsp;</p> <p>美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院國(guó)家眼科研究所、海軍研究辦公室和JPB基金會(huì)資助了這項(xiàng)研究。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>