新研究表明 大腦初級(jí)視覺(jué)皮層的單個(gè)神經(jīng)元也能可靠地檢測(cè)直線

隨著時(shí)間的推移，同樣的神經(jīng)元會(huì)對(duì)線性視覺(jué)刺激產(chǎn)生反應(yīng)。

根據(jù)生物科學(xué)副教授桑德拉庫(kù)赫曼(Sandra Kuhlman)領(lǐng)導(dǎo)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家的一項(xiàng)新研究，即使神經(jīng)元的細(xì)胞組成不斷變化，大腦初級(jí)視覺(jué)皮層中的單個(gè)神經(jīng)元也能可靠地檢測(cè)到一條直線。研究結(jié)果發(fā)表在10月16日的《科學(xué)報(bào)告》上，為未來(lái)研究感覺(jué)系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)和適應(yīng)變化奠定了基礎(chǔ)。

我們大多數(shù)人認(rèn)為，當(dāng)我們經(jīng)?？吹揭恍〇|西時(shí)，比如我們的房子或我們工作的大樓，我們的大腦會(huì)以可靠的方式對(duì)相同的神經(jīng)元發(fā)射做出反應(yīng)。當(dāng)我們看到簡(jiǎn)單的水平線或垂直線時(shí)，假設(shè)同樣的情況是正確的。

卡爾曼說(shuō)：“我們實(shí)驗(yàn)室所在的大樓里有這些莊嚴(yán)的柱子?！斑壿嫾僭O(shè)是，當(dāng)我們每天接近大樓時(shí)，我們的大腦會(huì)以同樣的方式識(shí)別出基本筆直的柱子?？茖W(xué)上，我們不知道這是真是假?！?

盡管卡爾曼和其他科學(xué)家認(rèn)為這種神經(jīng)元可靠性的概念可能是一種假設(shè)，但他們也有理由相信情況可能并非如此。組成單個(gè)神經(jīng)元的蛋白質(zhì)成分在幾個(gè)小時(shí)或幾天的過(guò)程中不斷變化，當(dāng)它們對(duì)給定的刺激做出反應(yīng)時(shí)，這些成分可能會(huì)發(fā)生變化。這些假設(shè)都沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)證明。

在視覺(jué)方面，研究人員確實(shí)知道，當(dāng)我們第一次遇到刺激時(shí)，大腦初級(jí)視覺(jué)皮層的一組神經(jīng)元會(huì)對(duì)刺激的方向做出反應(yīng)，以確定刺激是水平的、垂直的還是傾斜的。神經(jīng)元將這些信息更深入地傳遞到大腦的視覺(jué)皮層，進(jìn)入下一個(gè)處理階段。但是它們不知道哪些神經(jīng)元在反應(yīng)，它們總是以同樣的方式反應(yīng)。

一種被稱為雙光子顯微鏡的新成像技術(shù)允許庫(kù)赫曼實(shí)驗(yàn)室的神經(jīng)科學(xué)家同時(shí)可視化小鼠模型初級(jí)視覺(jué)皮層中的400-600個(gè)神經(jīng)元。當(dāng)神經(jīng)元被激活時(shí)，模型表達(dá)熒光蛋白。在實(shí)驗(yàn)中，鼠標(biāo)顯示了不同方向線的序列模式——有些是水平的，有些是垂直的，有些是有角度的。這些刺激激活興奮性神經(jīng)元，使其發(fā)出熒光信號(hào)，這可以通過(guò)顯微鏡觀察到。

在兩周內(nèi)，小鼠暴露在相同的視覺(jué)刺激下，研究人員測(cè)量了數(shù)百個(gè)神經(jīng)元中每一個(gè)的反應(yīng)特征。他們發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)研究中，大約80%的跟蹤神經(jīng)元被同一條定向線可靠地激活。它們也可靠地保持沉默，在同一方向線上。這表明它們?cè)诖竽X循環(huán)中保持相同的功能幾天。

研究人員可以測(cè)試各種各樣的刺激，包括測(cè)量神經(jīng)元如何對(duì)不同厚度的電線做出反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，一些神經(jīng)元對(duì)厚度的反應(yīng)不穩(wěn)定，同時(shí)保持它們對(duì)線方向的原始選擇性。Kuhlman指出，這表明單個(gè)神經(jīng)元可以連續(xù)編碼特定的視覺(jué)特征，同時(shí)仍然能夠適應(yīng)其他特征。

“看到一個(gè)特征的可塑性很有趣，但看不到另一個(gè)特征，”卡爾曼說(shuō)?！斑@讓我們能夠深刻理解我們的大腦如何在整合新信息的同時(shí)保持對(duì)世界的穩(wěn)定感知。例如，即使您稍作更新，您也希望能夠識(shí)別您的建筑物，例如您的柱。我們可以更新刺激特征的一個(gè)方面，而不會(huì)完全改變給定神經(jīng)元的功能反應(yīng)特征。”

研究人員將使用這個(gè)數(shù)據(jù)集作為他們下一組研究的對(duì)照，這些研究旨在了解這些神經(jīng)元如何對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的變化做出反應(yīng)，例如學(xué)習(xí)新的視覺(jué)任務(wù)或從眼睛阻塞中恢復(fù)。

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