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大脑视觉皮层中的神经元随时间漂移

圣路易斯华盛顿大学的新研究表明,视觉皮层中的神经元——大脑中处理视觉刺激的部分——会随着时间的推移改变对相同刺激的反应。尽管其他研究记录了与气味和空间记忆相关的大脑部分神经元的“表征漂移” ,但这一结果令人惊讶,因为初级视觉皮层的神经活动被认为是相对稳定的。

这项研究于 8 月 27 日发表在Nature Communications 上,由最近获得博士学位的 Ji Xia 领导。毕业于 Ralf Wessel 实验室,艺术与科学物理学教授。夏现在是哥伦比亚大学的博士后研究员。

“我们知道大脑是一个灵活的结构,因为我们预计大脑中的神经活动会随着我们学习或获得经验的几天而改变——即使是成年后,”夏说。“有点出乎意料的是,即使没有学习或经验没有变化,不同大脑区域的神经活动仍然会在几天内发生变化。”

Wessel 小组的研究人员探索大脑中的感官信息处理。他们与合作者合作,使用新颖的数据分析来解决大脑视觉皮层神经回路中的动力学和计算问题。

来自加州大学圣巴巴拉分校神经科学研究所的研究共同资深作者 Michael J. Goard 向老鼠展示了一个循环播放的短片。(他们使用了经典 Orson Welles 黑白电影中的开场部分,这是当今小鼠视觉研究的必备条件。)当一只老鼠观看这部电影时,研究人员同时记录了初级视觉皮层数百个神经元的活动,使用双光子钙成像。

科学家们每周重复观看会议长达七周,在他们观看相同的 30 秒电影剪辑的循环时记录相同小鼠的相同神经元的活动。

然后华盛顿大学的物理学家解析了看电影的老鼠的数据,使用新的计算方法来分析神经元群体活动随时间的变化。

研究人员发现,单神经元对自然电影的反应在数周内是不稳定的。换句话说,当老鼠一周观看电影时,与另一周相比,单个神经元对视觉刺激(电影中同一时刻屏幕上发生的事情)的反应方式不同。夏说,这项研究结果与他们的合作者在同一期刊上发表的一项研究一致。

然而,在这项特定的研究中,华盛顿大学的物理学家们能够开发出一种方法来解码数周内对视觉刺激的反应,如果他们将针对给定小鼠跟踪的所有神经元的种群活动考虑在内——他们就是做不到它单独使用单个神经元。

尽管夏使用人口活动绘制了电影剪辑的一致表示,但科学家们仍然不知道来自初级视觉皮层的这种表示是否是下游大脑区域实际读取的内容。

在过去的 10 年里,神经科学家越来越多地记录了大脑不同区域神经活动中这种“代表性漂移”的类似例子——第一批研究报告了海马和后顶叶皮层神经元活动的漂移。

但即使这些研究已经发表,许多科学家也没有准备好应对大脑其他区域漂移的可能性,夏说。

“人们仍然不希望这种漂移来自初级视觉皮层,”她说。“人们普遍认为,那些初级感觉皮层应该非常可靠,因为它们应该忠实地编码来自感觉刺激的信息。”

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