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惊喜发现揭示了小鼠大脑皮层的第二个视觉系统

文章作者:优博时时彩平台开户发布时间:2020-01-23浏览次数:1365

视觉系统可能是大脑最容易理解的部分。在过去的75年里,神经科学家已经详细描述了进入你眼睛的光波如何让你识别你祖母的脸,跟随飞行中的老鹰,或者阅读这句话。但旧金山加利福尼亚大学的一项新研究表明,视觉科学的一个基本方面受到了质疑,这表明即使是技能最好的大脑部分仍然会有很多惊喜。

根据视觉处理的标准模型,来自视网膜的所有视觉信息必须首先通过大脑后部的初级视觉皮层(V1),其提取诸如线条和边缘的简单特征,然后将它们分配给一些“高阶“视觉区域,提取越来越多的复杂特征,如形状,阴影,运动等。

这项新研究于2019年1月4日在线发表在“科学”杂志上,首次展示了一个所谓的高阶视觉区域,它涉及移动物体的感知,而不依赖于V1的信息。相反,这个区域,称为后脊髓皮质(POR),似乎直接从大脑底部的进化古代感觉处理中心获得视觉数据,称为上丘。

高级研究作者,加利福尼亚大学旧金山分校生理学教授,霍华德休斯医学研究所研究员Massimo Scanziani博士说:“好像我们已经发现了第二个主要的视觉皮层。” “这破坏了哺乳动物皮层视觉系统。整体概念,作为一个完美的等级,V1作为看门人提出了许多问题,包括这两个平行视觉系统如何演变以及它们如何协同工作以产生统一的视觉体验。”

蜥蜴脑显示哺乳动物皮质

祖先的上部祖先(称为非哺乳动物的顶部覆盖物)是具有很少或没有皮层的生物的主要感觉中心,例如鱼类,两栖动物,蜥蜴和鸟类。它特别适合于运动并且与反身行为有关 - 想想青蛙用舌头捕捉苍蝇的能力,或者鱼从即将捕食者身上飞过的能力。

然而,随着哺乳动物皮层的发育,上丘不会消失。在灵长类动物中,包括人类,它与快速和无意识形式的视觉处理相关联,例如当你看到看起来像蛇的棍子,或者自动捕捉扔在你脸上的球时惊恐地跳跃。它也可能在引导视觉注意的聚光灯中发挥作用(例如,当您等待交通信号灯变绿或在特定的红白条纹帽子中搜索拥挤的场景时)。但是这篇新论文是第一篇证明这个进化系统在皮质中有一个特殊空间的论文。

当研究的主要作者,Scanziani Labs的博士后研究员Riccardo Beltramo博士正在记录对鼠标POR中移动视觉刺激的神经反应时,该研究发现POR已知在感知运动中发挥作用。空间记忆。他使用了一种称为光遗传学的技术,暂时使V1中的活动无声,希望确认他希望POR响应依赖于通过标准视觉层次结构的信息流。但令他惊讶的是,他发现即使没有来自V1的输入,POR神经元也会继续响应移动的刺激。

“这绝对是非凡的,”Beltramo说。 “我们对皮质中的主要视觉区域进行了沉默,并且POR中的视觉反应保持不受影响。这是第一个'哇'时刻告诉我们它完全出乎意料。”

如果POR对移动物体的响应不是来自V1,那么Beltramo想知道,他们是如何到达那里的?他的结论是,必须有另一条路径将POR连接到视网膜的视觉信息。为了识别这种平行的视觉通路,Beltramo使用注射定制工程病毒,标记相互连接的神经元。这使他发现POR神经元得到两个解剖输入源 - 一个来自V1,另一个来自上心室,每个来自丘脑的不同区域,即大脑的中央中继站。

为了确认上部土墩正在推动POR对运动的反应,Beltramo使用光遗传学系统地在从POR记录时使V1或上部土墩静音。他表示 - 与灭活V1不同 - 关闭上部土墩使得POR活动完全消失。实际上,优越的小丘似乎对POR跟踪移动物体的能力至关重要,研究人员发现POR的V1输入本身无法完成。

该研究提出了关于大脑进化和功能的基本问题

需要更多的研究来测试像我们这样的灵长类动物大脑的POR样区域的视觉反应是否依赖于来自上级神经元的输入,以及V1驱动和丘脑驱动的活动如何相互作用以影响动物行为。作者说。

“我们假设POR,以前被认为是一个更高阶的视觉区域,可能是一个'原始的'视觉皮层,类似于一个简单的早期两栖,爬行动物或鸟类视觉皮层,它可能致力于检测一些事物的移动无论是小型,近距离捕食者还是大型长距离捕食者,“Beltramo说。”从这个角度来看,也许V1会添加这些信息以更准确地区分移动物体的性质,例如它的确切位置,或者无论是潜在的美味甲虫还是可能致命的蝎子。“

根据之前的研究,新发现的上山 - POR系统也可能与恐惧反应,空间注意力和导航,甚至面部识别 - 所有POR所在的颞叶皮层区域的特征有关。

这一发现也可能对一种被称为“失明”的有趣现象产生影响,其中由于V1损坏而失明的人仍然能够识别物体的位置并导航障碍物,即使他们不能意识到它们。根据灵长类动物的研究,失明被认为取决于上丘,但新的研究表明,它也可能涉及皮质的POR样区域。

“这是许多问题中的一个问题的结果之一,而不是回答任何问题,因为像许多发现一样,它提出了无人问的问题,”Scanziani说。

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