5月14日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室研究員徐敏課題組和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究員張思宇課題組合作，在Science Advances上，在線發(fā)表了題為《感覺信息處理的等級體現(xiàn)于遠距離輸入對皮層中間神經(jīng)元的支配平衡中》的研究論文。該研究首次對視覺選擇性注意各相關(guān)皮層區(qū)域不同種類神經(jīng)元構(gòu)成的子網(wǎng)絡(luò)的精細解剖學(xué)連接圖譜以及細胞水平的功能學(xué)連接圖譜進行了系統(tǒng)研究；結(jié)合機器學(xué)習(xí)的算法，抽提出了在視覺信息處理的網(wǎng)絡(luò)中攜帶等級信息的遠距離輸入與局部微環(huán)路中各類神經(jīng)元相互作用的規(guī)律，對理解基于等級架構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的信息處理機制具有重要意義。

視覺信息處理體系以等級網(wǎng)絡(luò)的形式來架構(gòu)，參與其中的各節(jié)點的等級決定了信息流的方向。低級腦區(qū)提呈信息傳遞至高級腦區(qū)，高級腦區(qū)則整合低級腦區(qū)的信息后根據(jù)當前行為目標對視覺信息處理進行調(diào)控。前期在靈長類和小鼠的工作中，科研人員根據(jù)不同腦區(qū)之間投射的軸突分布或皮層不同種類中間神經(jīng)元的密度給皮層和丘腦區(qū)域進行了等級排序。同時，大規(guī)模電極記錄也明確了靈長類和小鼠中各視覺相關(guān)腦區(qū)在視覺信息處理上的特點，如等級越高神經(jīng)元感受野越大，處理視覺信息的延時更長。然而，視覺網(wǎng)絡(luò)或更為廣義的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中攜帶等級信息的遠距離投射如何與其支配區(qū)域的局部微環(huán)路發(fā)生相互作用而發(fā)揮其功能（即等級信息流的特征），仍未有系統(tǒng)性的研究。

在皮層中，主要種類的抑制性中間神經(jīng)元（PV+、SST+和VIP+神經(jīng)元）與興奮性神經(jīng)元形成保守的微環(huán)路，從而動態(tài)且快速地調(diào)控局部區(qū)域興奮性神經(jīng)元的輸出。因此，理解等級信息流如何與皮層區(qū)域的局部微環(huán)路相互作用，可預(yù)測攜帶等級信息的遠距離輸入的功能，從而深化對神經(jīng)等級網(wǎng)絡(luò)的理解。

通過使用假性狂犬病毒介導(dǎo)的逆向跨單突觸示蹤技術(shù)，該研究從解剖學(xué)的角度系統(tǒng)研究了視覺選擇性注意相關(guān)各皮層區(qū)域不同種類抑制性神經(jīng)元的輸入。全腦解剖學(xué)連接圖譜顯示，皮層中同類神經(jīng)元接受的各不同來源的輸入強度差異可達10⁴倍，凸顯了對解剖學(xué)數(shù)據(jù)的精確定量分析在理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)中的重要性。

基于解剖學(xué)連接組研究結(jié)果，研究人員進一步解析了皮層丘腦網(wǎng)絡(luò)中主要的皮層-皮層和丘腦-皮層輸入在細胞層面的功能學(xué)連接組，闡明了具有不同等級方向性的輸入如何在時間維度上招募不同種類的神經(jīng)元，從而實現(xiàn)對局部微環(huán)路的精確調(diào)控以及興奮-抑制的動態(tài)平衡的機制。根據(jù)不同等級皮層-皮層輸入的強度及動力學(xué)特性，自下而上的遠距離輸入首先招募PV+神經(jīng)元，經(jīng)過一段時間積累后可招募VIP+神經(jīng)元；自上而下的遠距離輸入首先招募VIP+神經(jīng)元，經(jīng)過一段時間積累后可招募SST+神經(jīng)元。考慮自下而上和自上而下的遠距離輸入在時間上的差異，這兩種輸入很可能同時激活VIP+神經(jīng)元增強自上而下的對感覺信息處理的調(diào)控。自上而下的輸入積累一段時間后招募SST+神經(jīng)元則可同時抑制PV+和VIP+神經(jīng)元，可能在局部微環(huán)路重平衡中發(fā)揮重要作用。丘腦-皮層輸入的選擇性和動力學(xué)特性與皮層-皮層輸入大致相同，除自上而下的丘腦-皮層輸入在SST+神經(jīng)元上表現(xiàn)為短時程減弱而不能累積，表明丘腦-皮層輸入與皮層-皮層輸入的主要差異在于對SST+神經(jīng)元的招募上。

在構(gòu)建了皮層不同種類神經(jīng)元的全腦解剖學(xué)連接圖譜和細胞層面的功能學(xué)連接圖譜的基礎(chǔ)上，該研究進一步使用機器學(xué)習(xí)的分類方法——支持向量機分類器（SVM classifier）來抽提攜帶等級信息的皮層-皮層和丘腦-皮層輸入與局部微環(huán)路中各類神經(jīng)元相互作用的規(guī)律。支持向量機分類器學(xué)習(xí)了等級已知的皮層-皮層輸入的數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)自下而上的輸入更傾向于激活PV+神經(jīng)元，自上而下的輸入則更傾向于激活VIP+神經(jīng)元。經(jīng)學(xué)習(xí)后的支持向量機分類器可用于預(yù)測其他方向未知的遠距離輸入的等級，通過計算機建模分析，該研究進一步構(gòu)建選擇性注意相關(guān)各腦區(qū)的等級網(wǎng)絡(luò)，為研究網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點在整體動物行為層面的功能學(xué)連接圖譜奠定了基礎(chǔ)。

該研究由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院助理研究員馬國芬和博士生劉燕梅等在徐敏、張思宇的指導(dǎo)下完成。研究工作獲得中科院深圳先進技術(shù)研究院研究員徐富強、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授徐天樂、腦智卓越中心研究員李澄宇的支持，得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和上海市的資助。

圖1.研究揭示感覺信息處理的等級決定遠距離輸入對皮層中間神經(jīng)元的支配特性

圖2.自主研發(fā)的基于Allen mouse brain atlas的解剖學(xué)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

圖3.A.各皮層區(qū)域的不同種類中間神經(jīng)元的全腦范圍內(nèi)的輸入在皮層及丘腦區(qū)域的分布；B.中間神經(jīng)元的全腦范圍內(nèi)的輸入在其他各主要亞區(qū)內(nèi)的分布

　　圖4.A.測量了電生理性質(zhì)的主要皮層-皮層和丘腦-皮層輸入；B.皮層-皮層輸入在不同種類皮層神經(jīng)元上的短時程可塑性；C-D.將皮層-皮層和丘腦-皮層輸入同時考慮，支持向量機分類器根據(jù)各投射在VIP+神經(jīng)元上的短時程可塑性，可以較好地區(qū)別自下而上和自上而下的輸入

來源： 腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心