eLife：脑细胞报告它们看到的东西的特殊技巧

“我举起了几根手指?”对于猴子视觉皮层中的视觉感知脑细胞来说，答案取决于手指是相邻的还是部分重叠的。杜克大学(Duke University)的一项新研究发现，单个神经元在传递关于眼前两个独立物体的视觉信息时，是通过交替发出关于其中一个物体的信号来实现的。然而，当两个物体重叠时，大脑细胞将它们视为一个单独的实体。

　　

   

   

图片:猕猴视觉皮层中的单个脑细胞沿着单个神经元传递关于两个物体中的每一个物体的独特信号，但只有当它们间隔开时。    

图片来源:Jared Lazarus - Duke Photo

“我举起了几根手指?”

对于猴子视觉皮层中的视觉感知脑细胞来说，答案取决于手指是相邻的还是部分重叠的。

杜克大学(Duke University)的一项新研究发现，单个神经元在传递关于眼前两个独立物体的视觉信息时，是通过交替发出关于其中一个物体的信号来实现的。然而，当两个物体重叠时，大脑细胞会将它们视为一个单独的实体。

这项新报告发表在11月29日的《eLife》杂志上。

这些发现有助于拓展我们对大脑如何理解复杂而忙碌的世界的认识。大多数关于感官处理的研究，无论是声音还是视觉，都通过测试脑细胞对单一音调或图像的反应，将标准设得太低了。

“有很多理由让实验室里的事情保持简单，”杜克脑科学研究所的教员、新报告的资深作者詹妮弗·格罗博士说。“但这意味着我们在理解大脑如何同时编码多个东西方面还没有取得很大进展。”

理解复杂的感官信息在某种程度上是格罗的专长。2018年，她的实验室首次表明，单个听觉脑细胞通过使用复用技术有效地传输关于两种不同声音的信息。

“多路复用是一个来自工程的想法，”Groh说。“当你有一根电线和很多信号时，你可以交换信号，有点像电话线路。”

这种电信技术的工作原理是，只使用一根电线，在一个电话和另一个电话的中继信息之间快速来回切换。在大脑中，转换的过程可能要慢得多，Groh说，但大致原理是相似的。

这篇论文的第一作者、杜克大学神经生物学研究生Na Young Jun在Groh的一次神经科学训练营课程上首次了解到听觉神经元是如何进行电话连接的。

“我认为多路复用的概念很吸引人，”Jun说。“我想在外面和格罗博士多谈谈这件事，所以我去了她的办公室，最后在她的实验室工作。”

在Groh实验室工作期间，Jun从Groh的合作者Marlene Cohen博士那里获得了一个有价值的数据集，Marlene Cohen博士是芝加哥大学的神经生物学教授，也是这篇论文的合著者。科恩的研究小组收集了猕猴在看屏幕上的图片时的大脑活动数据，以研究注意力。

“从猴子身上收集数据超级困难，”Jun说。“一个研究生可能要花上7年的时间来收集区区几gb的数据。”

事实证明，共享的数据集和Jun随后分析的脑细胞一样高效。

在Groh的合作者、杜克大学统计科学教授Surya Tokdar博士的帮助下，Jun发现视觉皮层中的一个细胞子集，被认为是视觉处理通路中的“高阶”大脑区域，在试验中对两种不同图像的报告之间切换。

“假设你有一个视觉皮层神经元，”Jun说。“当它仅仅看到一个背包时，它每秒发射20次。当它只看到咖啡杯时，它每秒发射五次。但当同一个神经元看到背包和咖啡杯相邻时，它会交替每秒发射20次和每秒发射5次。”

然而，如果两个物体重叠，比如把咖啡杯放在背包前面，每次重叠的物体出现时，大脑细胞都会以相同的方式激活。这表明，神经元将重叠的图像视为一个单独的物体，而不是独立的物体。

虽然现实世界比两个并排的物体要繁忙得多，但这项工作开始推动感官研究更好地反映大脑的日常感知。

Jun和她的合著者在他们的报告中写道:“考虑到大脑如何保存关于两种视觉刺激的信息，距离理解自然场景中出现的无数细节是如何被编码的还很远。”“还需要更多的研究来阐明我们的大脑是如何在实验室这种稀薄的环境之外运作的。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院(R00EY020844;R01EY022930;Core Grant P30 EY008098s;R01DC013906;R01DC016363)、麦克奈特基金会、白厅基金会、斯隆基金会和西蒙斯基金会。