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驚喜發現揭示了小鼠大腦皮層的第二個視覺系統

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2020-01-23瀏覽次數:1365

視覺系統可能是大腦最容易理解的部分。在過去的75年里,神經科學家已經詳細描述了進入你眼睛的光波如何讓你識別你祖母的臉,跟隨飛行中的老鷹,或者閱讀這句話。但舊金山加利福尼亞大學的一項新研究表明,視覺科學的一個基本方面受到了質疑,這表明即使是技能最好的大腦部分仍然會有很多驚喜。

根據視覺處理的標準模型,來自視網膜的所有視覺信息必須首先通過大腦后部的初級視覺皮層(V1),其提取諸如線條和邊緣的簡單特征,然后將它們分配給一些“高階“視覺區域,提取越來越多的復雜特征,如形狀,陰影,運動等。

這項新研究于2019年1月4日在線發表在“科學”雜志上,首次展示了一個所謂的高階視覺區域,它涉及移動物體的感知,而不依賴于V1的信息。相反,這個區域,稱為后脊髓皮質(POR),似乎直接從大腦底部的進化古代感覺處理中心獲得視覺數據,稱為上丘。

高級研究作者,加利福尼亞大學舊金山分校生理學教授,霍華德休斯醫學研究所研究員Massimo Scanziani博士說:“好像我們已經發現了第二個主要的視覺皮層。” “這破壞了哺乳動物皮層視覺系統。整體概念,作為一個完美的等級,V1作為看門人提出了許多問題,包括這兩個平行視覺系統如何演變以及它們如何協同工作以產生統一的視覺體驗。”

蜥蜴腦顯示哺乳動物皮質

祖先的上部祖先(稱為非哺乳動物的頂部覆蓋物)是具有很少或沒有皮層的生物的主要感覺中心,例如魚類,兩棲動物,蜥蜴和鳥類。它特別適合于運動并且與反身行為有關 - 想想青蛙用舌頭捕捉蒼蠅的能力,或者魚從即將捕食者身上飛過的能力。

然而,隨著哺乳動物皮層的發育,上丘不會消失。在靈長類動物中,包括人類,它與快速和無意識形式的視覺處理相關聯,例如當你看到看起來像蛇的棍子,或者自動捕捉扔在你臉上的球時驚恐地跳躍。它也可能在引導視覺注意的聚光燈中發揮作用(例如,當您等待交通信號燈變綠或在特定的紅白條紋帽子中搜索擁擠的場景時)。但是這篇新論文是第一篇證明這個進化系統在皮質中有一個特殊空間的論文。

當研究的主要作者,Scanziani Labs的博士后研究員Riccardo Beltramo博士正在記錄對鼠標POR中移動視覺刺激的神經反應時,該研究發現POR已知在感知運動中發揮作用。空間記憶。他使用了一種稱為光遺傳學的技術,暫時使V1中的活動無聲,希望確認他希望POR響應依賴于通過標準視覺層次結構的信息流。但令他驚訝的是,他發現即使沒有來自V1的輸入,POR神經元也會繼續響應移動的刺激。

“這絕對是非凡的,”Beltramo說。 “我們對皮質中的主要視覺區域進行了沉默,并且POR中的視覺反應保持不受影響。這是第一個'哇'時刻告訴我們它完全出乎意料。”

如果POR對移動物體的響應不是來自V1,那么Beltramo想知道,他們是如何到達那里的?他的結論是,必須有另一條路徑將POR連接到視網膜的視覺信息。為了識別這種平行的視覺通路,Beltramo使用注射定制工程病毒,標記相互連接的神經元。這使他發現POR神經元得到兩個解剖輸入源 - 一個來自V1,另一個來自上心室,每個來自丘腦的不同區域,即大腦的中央中繼站。

為了確認上部土墩正在推動POR對運動的反應,Beltramo使用光遺傳學系統地在從POR記錄時使V1或上部土墩靜音。他表示 - 與滅活V1不同 - 關閉上部土墩使得POR活動完全消失。實際上,優越的小丘似乎對POR跟蹤移動物體的能力至關重要,研究人員發現POR的V1輸入本身無法完成。

該研究提出了關于大腦進化和功能的基本問題

需要更多的研究來測試像我們這樣的靈長類動物大腦的POR樣區域的視覺反應是否依賴于來自上級神經元的輸入,以及V1驅動和丘腦驅動的活動如何相互作用以影響動物行為。作者說。

“我們假設POR,以前被認為是一個更高階的視覺區域,可能是一個'原始的'視覺皮層,類似于一個簡單的早期兩棲,爬行動物或鳥類視覺皮層,它可能致力于檢測一些事物的移動無論是小型,近距離捕食者還是大型長距離捕食者,“Beltramo說。”從這個角度來看,也許V1會添加這些信息以更準確地區分移動物體的性質,例如它的確切位置,或者無論是潛在的美味甲蟲還是可能致命的蝎子。“

根據之前的研究,新發現的上山 - POR系統也可能與恐懼反應,空間注意力和導航,甚至面部識別 - 所有POR所在的顳葉皮層區域的特征有關。

這一發現也可能對一種被稱為“失明”的有趣現象產生影響,其中由于V1損壞而失明的人仍然能夠識別物體的位置并導航障礙物,即使他們不能意識到它們。根據靈長類動物的研究,失明被認為取決于上丘,但新的研究表明,它也可能涉及皮質的POR樣區域。

“這是許多問題中的一個問題的結果之一,而不是回答任何問題,因為像許多發現一樣,它提出了無人問的問題,”Scanziani說。

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