編譯 | Qi

哺乳動物視覺系統的解剖結構，從視網膜至新皮層以層級化方式組織排布【1】。我們已經深入瞭解了“撞擊”視網膜的光子流如何引發有意識的感知和視覺運動行為，然而在細胞水平上的知識大多源於小規模研究，由於這些研究往往會受到大量不可控變異、神經元不均勻覆蓋和選擇性刺激應用的影響，驗證視覺功能模型的道路受到了阻礙。為了解決這一問題，2020年12月16日，美國艾倫腦科學研究所在Nature Neuroscience雜誌上發表一項研究，透過開發一種雙光子光生理管路（two-photon optical physiological pipeline）系統地研究了小鼠視覺系統中約6萬個神經元的視覺反應【2】，然而這種方法也並非無懈可擊，缺乏同時記錄跨皮層和皮層下結構的高時間解析度訊號的能力。

過去50多年來，層級（hierarchy）結構的概念已為哺乳動物視覺系統相關的體系構建提供了思路，並啟發了強大的多層計算網路【3, 4】。截至目前，我們對獼猴的視覺層級已經進行了廣泛的研究，而對於鼠腦中這種層級結構的存在與否仍不太清楚。考慮到小鼠模型在當前研究中的實用性，描述這種層級結構的存在以及深度具有重要意義。

2021年1月20日，來自美國艾倫腦科學研究所的Shawn R. Olsen，Joshua H. Siegle與賈曉軒在Nature雜誌上發表了一篇題為Survey of spiking in the mouse visual system reveals functional hierarchy 的文章，在前述研究的基礎上，研究人員構建了一個新的神經電訊號記錄系統，使用神經探針來檢測小鼠六個皮質視覺區域以及兩個丘腦視覺核團的動作電位，透過深度分析，揭示了視覺刺激期間區域間功能連線直接反映瞭解剖層級【5】。

首先，研究人員使用Neuropixels矽探針記錄了清醒小鼠在觀察不同視覺刺激時，視覺皮層和丘腦結構數百個具有高空間和時間解析度神經元的動作電位。在每次記錄過程中，小鼠被動地觀察一組視覺刺激，在這裡，研究人員重點關注移動光柵（drifting gratings）、全屏閃爍（full-field flashes）以及區域性伽柏斑塊（local Gabor patches）幾種刺激，以獲得分層處理的各個方面。結果顯示，在所有受檢視覺區域記錄的神經元均表現出高度的視覺反應性，其中60%的神經元在用於呈現刺激的監測器範圍內表現出顯著的空間感受野（spatial receptive fields）。

先前的解剖學研究已經為小鼠的皮層和丘腦的不同區域分配了相應的層級分數，其中，LGN位於層級結構的最底部，緊接著是其主要靶標結構V1；而LM、RL、LP和AL區域位於中間層，PM和AM區域位於頂層（見圖1）。但是因為小鼠腦內具有豐富的迴圈連線，功能結構尚不清楚。研究人員預期視覺刺激會自下而上的沿著這種解剖層級結構傳播。為了驗證這一觀點，作者在使用移動光柵進行視覺刺激時，利用不同區域神經元之間的交叉相關圖（cross-correlograms, CCG）來評估定向功能連通性，結果表明V1神經元在強烈視覺驅動期間平均領先於LM神經元，因此在功能層級結構中處於較低位置。說明前饋資訊從V1傳遞到LM。此外，研究人員計算了每隻小鼠所有功能連線神經元的CCG尖峰時間滯後的分佈，並結合了小鼠之間峰偏移分佈的中位數，也同樣證明V1神經元領先於其他區域神經元的活動，與之相反，AM落後於其他區域，提示該區域位於功能層級結構的頂層。由此，推斷出小鼠視覺區域的功能層級結構。

圖1. 八個目標區域的解剖結構分層評分

接下來，為了進一步評估區域之間“leader-follower”關係，研究人員定義了一個方向性得分，該得分量化了任何兩個區域之間正時滯和負時滯聯絡的相對數量，且區域之間的成對方向性得分矩陣與解剖層級分數得分矩陣非常相似。那麼這種區域排序與功能層級的四個經典度量之間是否存在相關性呢？首先，研究人員量化了“全屏閃爍”刺激誘發反應的時間延遲，發現隨著層級升高，對應區域的視覺反應延遲顯著延長。隨後，作者透過“區域性伽柏斑塊”刺激測試感受野的大小發現隨解剖層級增加，視覺感受野大小也逐漸增加。此外，視覺感受野的複雜性也隨之增加。最後，基於先前研究提出的，神經活動的“時間尺度”在高層級結構中有所增加，研究人員透過在刺激展示之間的灰屏時段內，對每個神經元的自發峰值計數自相關擬合指數衰減函式，來評估內在時間尺度。結果顯示，高層結構的反應衰減時間尺度長於低層結構，且除LM–AL和AM–PM外，所有成對區域的響應衰減時間尺度都顯著不同。這種資訊整合所需要的時間變化正是多層處理的一個重要特徵。總而言之，這四個反應指標以及互相關分析都支援跨皮層和丘腦視覺系統的功能層級結構的存在。

需要注意的是，這種層級結構的作用最終應與所實施的行為和認知操作有關，因為更高的位置可以更好地整合感官輸入與行為目標。為此，作者測量了視覺變化檢測任務期間的神經元電訊號。在每一次試驗中，重複的影象在隨機數次展示後會改變身份，而小鼠檢測到這種變化會得到獎勵。任務期間記錄的神經元對影象有清晰的視覺反應，而當刺激改變身份時會顯示出更大的神經反應，並且行為期間對影象反應的延遲與解剖層級評分相關。

最後，研究人員試用隨機森林解碼器（random forest decoders），對單個區域內神經元的神經活動進行訓練，以預測影象何時改變或不改變。解碼器在每個區域內隨機選取了20個神經元的活動進行訓練，結果顯示與視覺影象變化相關的訊號在視覺系統的更高層級被放大，揭示了層級處理與行為的相關性。

圖2. 隨機森林解碼分析示意圖以識別變更試驗與非變更試驗，以及與小鼠行為的比較

這項研究透過對Neuropixels探針標記的約100000個神經元的神經元電訊號進行檢測，使用CCG時間滯後分析來揭示在感覺驅動期間小鼠皮層視覺區域的解剖和功能網路組織之間的顯著對應關係。應用四種常用的分級處理指標，包括反應延遲、感受野大小、移動光柵的相位調製程度和反應衰減時間尺度的測量方法，來揭示八個受檢視覺區域中功能層級的關係。應用行為學實驗揭示了不同層級的神經活動和小鼠視覺行為的關係。總的來說，這項研究確認瞭解剖層級可以反映在視覺區域的神經活動中，將層級結構與功能性相聯絡，為了解小鼠跨層級組織的皮層和丘腦視覺區域的編碼和訊號傳導奠定了基礎。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03171-x

製版人：十一

參考文獻

1. Felleman, D. J. & Van Essen, D. C. Distributed hierarchical processing in the primate cerebral cortex.Cereb. Cortex 1, 1–47 (1991).

2. de Vries, S. E. J. et al. A large-scale standardized physiological survey reveals functional organization of the mouse visual cortex. Nat. Neurosci. 23, 138–151 (2020).

3. Hubel, D. H. & Wiesel, T. N. Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat’s visual cortex. J. Physiol. (Lond.) 160, 106–154 (1962).

4. Carandini, M. et al. Do we know what the early visual system does? J. Neurosci. 25, 10577–10597 (2005).

5. Siegle, J H. et al. Survey of spiking in the mouse visual system reveals functional hierarchy. Nature(2021).