撰稿 | AiBrain 内容团队
排版 | AiBrain 编辑团队
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在感觉信息加工过程中,大脑需要区分感知到的运动是由外部刺激运动导致的还是动物自身运动导致的。眼跳是一种快速的眼球运动,在眼跳过程中,视网膜图像会发生位移。视觉系统如何区分眼跳导致的视觉刺激运动和环境中的物体真实产生的运动仍有待探索。
加利福尼亚大学旧金山分校的Satoru Miura和Massimo Scanziani团队在小鼠V1皮层中发现了对上述两种刺激的不同表征。这种差异化表征的神经机制在于,眼跳过程中V1可以整合来自视网膜的视觉信息和来自丘脑枕核(thalamic pulvinar nucleus)的非视觉信息。非视觉信息引起的神经元反应具有眼跳方向特异性,而视觉输入引起的反应的方向特异性则相对于视网膜上刺激运动方向,而这两种偏好方向并不相关。
因此,丘脑枕核的非视觉信息输入使得V1的神经元能够区分运动刺激是由外界还是自身运动导致的运动。由此推测,外界感觉信息和身体运动信息的整合可能是感觉皮层区分外界运动刺激和自身运动导致的运动刺激的统一机制。本研究于近日以Distinguish externally from saccade-induced motion in visual cortex为题,发表于Nature。
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示例神经元反应见下图e右侧,该神经元对朝向鼻侧的眼跳(蓝色)发放更强。群体神经元反应见下图f。
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由于小鼠在眼跳时,屏幕上呈现垂直光栅作为视觉刺激,因此,上图中神经元的反应包含对视觉输入(垂直光栅)的反应和非视觉输入(眼跳)的反应两种成分。
为了证明神经元对非视觉输入的反应确实存在,作者使用河豚毒素(TTX)阻断视网膜和外侧膝状体(LGN)的连接(即阻断视觉信息的输入),发现V1神经元对静止的视觉刺激不产生反应(下图g中间),但眼跳时仍产生反应,且反应具有方向选择性(示例神经元见下图g右侧,群体神经元见下图h)。
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当小鼠注视全灰屏幕并进行眼跳时,由于屏幕上没有视觉刺激,此时神经元的反应主要来源于非视觉信息的输入(下图a、b),神经元发放的方向选择性出现于眼跳起始前,并且持续较长时间(下图b右)。
当小鼠注视垂直光栅屏幕并且通过移动屏幕上的视觉刺激来模拟眼跳(而小鼠并没有实际产生眼跳,下图c左)时,神经元发放的方向选择性开始于眼跳起始之后,并且持续时间较短(下图d右)。同一神经元在上述两种条件下的方向选择性见下图e右,可见二者并不相关。说明两种条件下神经元的发放携带不同的信息。
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接下来,作者通过失活视网膜和外侧膝状体的连接阻断视觉信息的输入,同时在丘脑枕核进行记录,发现丘脑枕核存在与V1神经元类似的对眼跳方向具有方向选择性的神经元,且方向选择性也开始于眼跳其实前并持续较长时间(下图b右)。
在上述基础上失活丘脑枕核和V1的连接,发现失活前具有方向选择性的神经元在失活后不再具有方向选择性(下图c中、右)。说明V1神经元的眼跳方向选择性来源于丘脑枕核的输入。
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综上,作者发现V1神经元对于外界刺激运动和自身运动导致的刺激运动具有不同表征,原因在于自身运动(眼跳)产生时,V1神经元会接收来自丘脑枕核的非视觉信息输入(眼跳相关的信息,可能是眼跳指令副本或伴随发放信号)改变神经元的方向选择性以及发放模式(持续发放时间)。失活丘脑枕核和V1的直接连接则V1的方向选择性消失。
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Massimo Scanziani
教授
Massimo Scanziani教授及其团队主要采用在体和离体电生理记录、成像、解剖以及行为实验等技术手段,以啮齿类动物为模型,研究神经元在皮层神经环路中发挥作用的空间和时间特性。
AiBrain内容团队为大家整理了文章的pdf,如有需要,请公众号后台留言“pdf”或扫码添加AiBrain助手微信获取。
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