大脑的大脑皮层产生知觉根据感觉信息的美联储通过一个叫做丘脑的区域。
“丘脑与大脑皮层是大脑如何解释世界的一个基本特征,”说艾莉Nedivi威廉·r·Picower研究所和琳达·r·年轻教授在麻省理工学院学习与记忆。尽管丘脑皮层的输入的重要性,神经科学家一直在努力理解它是如何工作的很好观察连接的相对缺乏,或突触之间的两个地区。
帮助缩小知识差距,Nedivi组装麻省理工学院内外协作应用几种创新的方法。在一个新的研究在自然神经科学,研究小组报告说,丘脑皮层的输入表面的层不仅罕见,但也意外疲弱,而且很多样的分布模式。尽管如此,他们是可靠的和有效的信息聚合的代表,和他们的多样性是构成这些优势。
从本质上讲,通过精心映射每个丘脑神经元突触在15层2/3的视觉皮层在老鼠身上,然后模拟输入是如何影响每个神经元的视觉信息处理,研究小组发现,丘脑神经突触的数量和排列的巨大差异使他们对视觉刺激不同敏感特性。虽然单个神经元因此不能可靠地解释所有方面的刺激,一个小的人口可以可靠地、有效地综合组装整体图片。
“看来这个异质性不是一个错误,这是一个特性,它不仅提供了一个成本效益但也带来了灵活性和健壮性扰动,“Nedivi说,该研究的通讯作者和麻省理工学院的教师成员部门的生物学和脑与认知科学。
Nedivi Aygul Balcioglu,研究科学家的实验室领导工作,补充说,神经科学家的研究创造了一种跟踪所有的个人输入细胞接收输入。
“成千上万的信息输入倒入一个脑细胞。大脑细胞然后解释所有这些信息之前沟通自己的应对接下来的脑细胞,”Balcioglu说。“什么是新的,我们感到兴奋的是我们现在可以可靠地描述这些输入的身份和特点,不同的输入和特征给定脑细胞传达不同的信息。我们的技术使我们能够描述在活体动物在单个细胞的结构将什么样的信息。直到现在这是不可能的。”
Nedivi和Balcioglu的团队选择层2/3的皮质因为这一层是哪里有相对较高的灵活性或“可塑性”,甚至在成年人的大脑。然而,丘脑神经支配特点很少有。Nedivi说,此外,尽管研究生物模型小鼠,这些层的增厚最在进化的过程中,因此扮演着特别重要的角色在人类皮层。
精确映射丘脑神经元神经支配到整个生活,感知老鼠从未做过如此艰巨的。
开始团队使用技术在Nedivi建立的实验室,使双光子显微镜下观察整个皮质神经元同时使用三种不同的颜色标记位于相同的单元中,除了在这种情况下,他们使用的颜色标签丘脑输入联系贴上皮质神经元。无论这些丘脑输入重叠的颜色与颜色标签的皮层神经元兴奋性突触透露假定的丘脑的位置输入到大脑皮层神经元。
双光子显微镜提供深看着活组织,但其分辨率不足以确认重叠标签确实是突触联系。丘脑的输入来确认他们的第一个迹象,团队转向了一种叫做地图Picower研究所实验室里发明了麻省理工学院的化学工程副教授Kwanghun涌。地图上扩大组织在实验室,有效地增加标准的显微镜的分辨率。丽贝卡Gillani Nedivi实验室的一个博士后,在Taeyun谷的帮助下,一个钟实验室博士后,能把新的标签和地图一定解决,计数,地图,甚至测量所有的尺寸thalamic-cortical整个神经元突触上。
分析显示丘脑输入很小(一般也认为是软弱,也许暂时),占2 - 10%的对个人视觉皮层神经元的兴奋性突触。方差丘脑突触数量的不仅仅是在细胞水平上,而且在不同的单个细胞的“树突”分支,占0到近一半的突触在给定的分支。
这些事实给Nedivi的团队提出了一个难题。如果丘脑输入弱,稀疏的不同,不仅在神经元,甚至在每个神经元的树突,然后他们可以可靠的信息传输多好?
帮助解决谜题,Nedivi转向同事艾丹•戈夫在耶路撒冷希伯来大学教授专门从事计算神经科学。迈克尔戈夫和他的学生Doron Nedivi实验室使用的详细的解剖和生理测量信息来自艾伦大脑图集创建一个生物物理忠实的皮质神经元模型。
戈夫的模型表明,当这些细胞被美联储视觉信息(看一个光栅的模拟信号经过眼睛)他们的电响应不同的基于输入不同丘脑。一些细胞活跃起来了比其他人更多的视觉信息的不同方面,例如对比或形状,但没有一个单一的细胞显示整个画面。但大约20个细胞在一起,整个视觉输入可以解码的活动相结合,所谓“群众的智慧”。
值得注意的是,瑟戈夫性能弱的细胞相比,稀疏和不同输入类似于Nedivi的实验室测量,性能的一群细胞,所有像最好的单个细胞。约5000总突触,“最好”的细胞组交付更丰富的结果,但这一水平后,一小群弱和多样化的表现更好。在比赛中代表总视觉输入至少有90%的准确率,弱小和形形色色达到这一水平约6700突触而所需的“最好”的细胞群超过7900人。
“因此异质性带来的成本降低突触的数量准确读出所需的视觉特性,”作者写道。
Nedivi说,这项研究提出了诱人的影响对丘脑输入大脑皮层是如何工作的。她说,一个是鉴于丘脑神经突触的体积小,他们可能会表现出显著的“可塑性。“另一个原因是,多样性的令人惊讶的好处可能是一个一般的功能,不只是一个特例的视觉输入层2 / 3。然而,进一步的研究需要确定。
除了Nedivi, Balcioglu、Gillani Ku,钟,戈夫和Doron,其他作者Kendyll包和Alev Erisir。
美国国家眼科研究所的美国国立卫生研究院、美国海军研究办公室,JPB基金会资助了这项研究。
