<p>大腦的大腦皮層根據(jù)被稱為丘腦的區(qū)域提供的感覺信息產(chǎn)生知覺。</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&middot;r&middot;楊教授艾利&middot;內(nèi)迪維說:&ldquo;丘腦如何與皮層交流是大腦如何解釋世界的一個基本特征。&rdquo;盡管丘腦對皮層的輸入很重要，但鑒于兩個區(qū)域之間觀察到的連接或&ldquo;突觸&rdquo;相對較少，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差距，Nedivi在麻省理工學(xué)院內(nèi)外進行了合作，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)表的一項新研究中，研究小組報告說，丘腦對皮層淺層的輸入不僅罕見，而且出奇地弱，而且分布模式相當多樣化。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)勢的基礎(chǔ)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>從本質(zhì)上講，通過細致地繪制小鼠視覺皮層2/3層15個神經(jīng)元上的每個丘腦突觸，然后建模這些輸入如何影響每個神經(jīng)元對視覺信息的處理，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視覺刺激特征具有不同的敏感性。雖然單個神經(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)性并不是一個缺陷;這一特性不僅提供了成本效益，而且還賦予了攝動的靈活性和穩(wěn)健性&rdquo;，該研究的通訊作者、麻省理工學(xué)院生物和大腦與認知科學(xué)系的教員內(nèi)迪維說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Nedivi實驗室的研究科學(xué)家Aygul Balcioglu領(lǐng)導(dǎo)了這項工作，他補充說，這項研究為神經(jīng)科學(xué)家創(chuàng)造了一種方法，可以跟蹤細胞在輸入發(fā)生時接收到的所有單個輸入。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;成千上萬的信息輸入涌入一個腦細胞。然后，腦細胞在將自己的反應(yīng)傳達給下一個腦細胞之前，會解釋所有這些信息。&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，因為不同的輸入和特征向給定的腦細胞傳遞不同的信息。我們的技術(shù)使我們能夠描述在活體動物中，在單細胞的結(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的團隊選擇了皮層的2/3層，因為這一層具有相對較高的靈活性，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，盡管這項研究的模型生物是老鼠，但這些層是在進化過程中變厚最多的，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)支配映射到整個神經(jīng)元上，感知老鼠是如此令人生畏，從來沒有人做到過。</p> <p>&nbsp;</p> <p>首先，研究小組使用了Nedivi實驗室建立的一種技術(shù)，可以在雙光子顯微鏡下觀察整個皮層神經(jīng)元，在同一個細胞中同時使用三種不同的顏色標簽，除了在這種情況下，他們使用一種顏色標記丘腦輸入，接觸被標記的皮層神經(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重疊的標簽確實是突觸接觸。為了確認丘腦輸入的第一個跡象，研究小組求助于麻省理工學(xué)院化學(xué)工程副教授Kwanghun Chung的皮考爾研究所實驗室發(fā)明的一種稱為MAP的技術(shù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>MAP物理放大了實驗室中的組織，有效地提高了標準顯微鏡的分辨率。Nedivi實驗室的博士后Rebecca Gillani在Chung實驗室博士后Taeyun Ku的幫助下，能夠?qū)⑿碌臉擞浐蚆AP結(jié)合起來，明確地解析、計數(shù)、繪制，甚至測量整個神經(jīng)元上所有丘腦-皮質(zhì)突觸的大小。</p> <p>&nbsp;</p> <p>分析顯示，丘腦輸入相當小(通常也被認為是微弱的，可能是暫時的)，只占個體視覺皮層神經(jīng)元興奮性突觸的2%到10%。丘腦突觸數(shù)量的差異不僅在細胞水平上，而且在單個細胞的不同&ldquo;樹突&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>這些事實給Nedivi的團隊提出了一個難題。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，甚至在每個神經(jīng)元的樹突之間，那么它們在可靠的信息傳輸方面能有多好呢?</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了幫助解開這個謎題，內(nèi)迪維求助于同事伊丹&middot;塞格夫，他是耶路撒冷希伯來大學(xué)專門從事計算神經(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)迪維實驗室的詳細解剖測量數(shù)據(jù)和艾倫大腦圖譜中的生理信息，創(chuàng)建了一個生物物理學(xué)上可靠的皮層神經(jīng)元模型。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Segev的模型顯示，當細胞被喂食視覺信息(觀察光柵經(jīng)過眼睛的模擬信號)時，它們的電反應(yīng)根據(jù)丘腦輸入的變化而變化。一些細胞對視覺信息的不同方面(如對比度或形狀)的反應(yīng)比其他細胞更活躍，但沒有一個細胞能透露出更多的整體圖像。但是當大約20個細胞聚集在一起時，整個視覺輸入可以從它們的聯(lián)合活動中解碼&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將細胞的性能與Nedivi實驗室測量的弱、稀疏和變化的輸入進行了比較，與一組細胞的性能進行了比較，這些細胞都表現(xiàn)得像許多細胞中最好的單個細胞。達到大約5000個突觸時，&ldquo;最好的&rdquo;細胞組提供了更多的信息，但在這個水平之后，小的、弱的和多樣化的組實際上表現(xiàn)得更好。在以至少90%的準確率代表總視覺輸入的競賽中，小的、弱的、多樣化的組達到了大約6700個突觸的水平，而&ldquo;最好的&rdquo;細胞組需要7900多個突觸。</p> <p>&nbsp;</p> <p>作者寫道:&ldquo;因此，就精確讀取視覺特征所需的突觸數(shù)量而言，異質(zhì)性降低了成本。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Nedivi說，這項研究提出了關(guān)于丘腦輸入如何進入皮層的誘人含義。她說，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;。另一個原因是，多樣性帶來的驚人好處可能是一種普遍特征，而不僅僅是第2/ 3層視覺輸入的特例。然而，還需要進一步的研究來確定。</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>美國國立衛(wèi)生研究院國家眼科研究所、海軍研究辦公室和JPB基金會資助了這項研究。</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。</p> </blockquote>