新研究表明 大腦初級視覺皮層的單個神經(jīng)元也能可靠地檢測直線

隨著時間的推移，同樣的神經(jīng)元會對線性視覺刺激產(chǎn)生反應。

根據(jù)生物科學副教授桑德拉庫赫曼(Sandra Kuhlman)領導的卡內(nèi)基梅隆大學神經(jīng)科學家的一項新研究，即使神經(jīng)元的細胞組成不斷變化，大腦初級視覺皮層中的單個神經(jīng)元也能可靠地檢測到一條直線。研究結果發(fā)表在10月16日的《科學報告》上，為未來研究感覺系統(tǒng)如何應對和適應變化奠定了基礎。

我們大多數(shù)人認為，當我們經(jīng)常看到一些東西時，比如我們的房子或我們工作的大樓，我們的大腦會以可靠的方式對相同的神經(jīng)元發(fā)射做出反應。當我們看到簡單的水平線或垂直線時，假設同樣的情況是正確的。

卡爾曼說：“我們實驗室所在的大樓里有這些莊嚴的柱子?！斑壿嫾僭O是，當我們每天接近大樓時，我們的大腦會以同樣的方式識別出基本筆直的柱子?？茖W上，我們不知道這是真是假?！?

盡管卡爾曼和其他科學家認為這種神經(jīng)元可靠性的概念可能是一種假設，但他們也有理由相信情況可能并非如此。組成單個神經(jīng)元的蛋白質(zhì)成分在幾個小時或幾天的過程中不斷變化，當它們對給定的刺激做出反應時，這些成分可能會發(fā)生變化。這些假設都沒有被實驗證明。

在視覺方面，研究人員確實知道，當我們第一次遇到刺激時，大腦初級視覺皮層的一組神經(jīng)元會對刺激的方向做出反應，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皮層，進入下一個處理階段。但是它們不知道哪些神經(jīng)元在反應，它們總是以同樣的方式反應。

一種被稱為雙光子顯微鏡的新成像技術允許庫赫曼實驗室的神經(jīng)科學家同時可視化小鼠模型初級視覺皮層中的400-600個神經(jīng)元。當神經(jīng)元被激活時，模型表達熒光蛋白。在實驗中，鼠標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，這可以通過顯微鏡觀察到。

在兩周內(nèi)，小鼠暴露在相同的視覺刺激下，研究人員測量了數(shù)百個神經(jīng)元中每一個的反應特征。他們發(fā)現(xiàn)，在整個研究中，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。這表明它們在大腦循環(huán)中保持相同的功能幾天。

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

“看到一個特征的可塑性很有趣，但看不到另一個特征，”卡爾曼說。“這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保持對世界的穩(wěn)定感知。例如，即使您稍作更新，您也希望能夠識別您的建筑物，例如您的柱。我們可以更新刺激特征的一個方面，而不會完全改變給定神經(jīng)元的功能反應特征。”

研究人員將使用這個數(shù)據(jù)集作為他們下一組研究的對照，這些研究旨在了解這些神經(jīng)元如何對視覺系統(tǒng)的變化做出反應，例如學習新的視覺任務或從眼睛阻塞中恢復。

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