稀疏小但多样的神经连接有助于使感知可靠高效

大脑的大脑皮层根据通过称为丘脑的区域提供的感觉信息产生知觉。

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的Elly Nedivi 、William R. 和 Linda R. Young 教授说：“丘脑如何与大脑皮层交流是大脑如何解释世界的一个基本特征。” 尽管丘脑输入对皮层很重要，但鉴于两个区域之间观察到的连接或“突触”相对缺乏，神经科学家一直在努力理解它如何运作得如此之好。

为了帮助缩小这一知识差距，Nedivi 在麻省理工学院内外组织了一项合作，以应用多种创新方法。在《自然神经科学》( Nature Neuroscience ) 的一项新研究中 ，研究小组报告说，输入到皮质表层的丘脑不仅罕见，而且出奇地微弱，而且分布模式非常多样。尽管如此，它们仍然是聚合信息的可靠和有效代表，它们的多样性是这些优势的基础。

从本质上讲，通过仔细绘制小鼠视觉皮层 2/3 层 15 个神经元上的每个丘脑突触，然后模拟该输入如何影响每个神经元对视觉信息的处理，该团队发现丘脑突触的数量和排列存在很大差异使它们对视觉刺激特征具有不同的敏感度。因此，虽然单个神经元无法可靠地解释刺激的所有方面，但它们中的一小部分可以可靠而有效地组合在一起。

“看起来这种异质性不是错误，它是一种不仅提供成本效益的特征，而且还赋予扰动的灵活性和稳健性”，该研究的通讯作者，麻省理工学院生物和科学系教员 Nedivi 说。大脑和认知科学。

领导这项工作的 Nedivi 实验室的研究科学家 Aygul Balcioglu 补充说，这项研究为神经科学家创造了一种方法来跟踪细胞在输入发生时接收到的所有许多单独输入。

“成千上万的信息输入涌入一个脑细胞。然后脑细胞在将自己的反应传达给下一个脑细胞之前解释所有这些信息，”Balcioglu 说。“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征，因为不同的输入和特征将不同的信息传递给给定的脑细胞。我们的技术使我们能够描述活体动物在单细胞结构中的哪个位置整合了何种信息。直到现在，这是不可能的。”

'MAP'ping 和建模

Nedivi 和 Balcioglu 的团队选择了大脑皮层的第 2/3 层，因为这一层具有相对较高的灵活性或“可塑性”，即使在成人大脑中也是如此。然而，那里的丘脑神经支配很少被描述。此外，Nedivi 说，尽管该研究的模型生物是小鼠，但这些层是在进化过程中增厚最多的层，因此在人类大脑皮层中发挥着特别重要的作用。

精确地将所有丘脑神经支配映射到活的、感知小鼠的整个神经元上是如此艰巨，以至于从未有人做过。

为了开始，该团队使用了Nedivi 实验室建立的一项技术，该技术能够在双光子显微镜下同时在同一细胞中使用三种不同颜色的标签来观察整个皮层神经元，除了在这种情况下，他们使用其中一种颜色来标记丘脑输入接触标记的皮层神经元。只要这些丘脑输入的颜色与皮质神经元上标记兴奋性突触的颜色重叠，就会揭示假定的丘脑输入在皮质神经元上的位置。

双光子显微镜可以深入观察活组织，但它们的分辨率不足以确认重叠标签确实是突触接触。为了确认他们对丘脑输入的第一个迹象，该团队求助于麻省理工学院化学工程副教授 Kwanghun Chung 的 Picower 研究所实验室发明的一种称为 MAP 的技术。MAP 在实验室中物理放大组织，有效提高标准显微镜的分辨率。Nedivi 实验室的博士后 Rebecca Gillani 在 Chung 实验室博士后 Taeyun Ku 的帮助下，能够将新标记和 MAP 结合起来，明确地解析、计数、映射，甚至测量所有丘脑皮质突触的大小整个神经元。

分析表明，丘脑输入相当小(通常假定也很弱，可能是暂时的)，占单个视觉皮层神经元兴奋性突触的 2% 到 10%。丘脑突触数量的差异不仅在细胞水平上，而且在单个细胞的不同“树突”分支中也存在，占给定分支上突触的零到近一半之间的任何地方。

“群众的智慧”

这些事实给 Nedivi 的团队带来了难题。如果丘脑输入微弱、稀疏且变化很大，不仅跨神经元而且甚至跨每个神经元的树突，那么它们对于可靠的信息传输有多好?

为了帮助解决这个谜题，Nedivi 求助于同事 Idan Segev，他是耶路撒冷希伯来大学的一名教授，专攻计算神经科学。Segev 和他的学生 Michael Doron 使用 Nedivi 实验室详细的解剖测量和来自艾伦大脑图谱的生理信息来创建皮质神经元的生物物理忠实模型。

Segev 的模型表明，当向细胞提供视觉信息(观看光栅经过眼睛的模拟信号)时，它们的电反应会根据丘脑输入的变化而变化。一些细胞比其他细胞更能响应视觉信息的不同方面，例如对比度或形状，但没有一个细胞能揭示太多关于整体画面的信息。但是如果有大约 20 个细胞在一起，整个视觉输入就可以从它们的组合活动中解码出来——这就是所谓的“群体智慧”。

值得注意的是，Segev 将具有类似于 Nedivi 实验室测量的弱、稀疏和变化输入的细胞的性能与一组细胞的性能进行了比较，这些细胞都表现得像该批次中最好的单个细胞。最多约 5,000 个总突触，“最佳”细胞组提供了更多信息量的结果，但在那个水平之后，小、弱和多样化的组实际上表现更好。在以至少 90% 的准确率表示总视觉输入的竞赛中，弱小且多样化的细胞群达到了这一水平，大约有 6,700 个突触，而“最佳”细胞群需要超过 7,900 个。

“因此，就准确读出视觉特征所需的突触数量而言，异质性降低了成本，”作者写道。

Nedivi 说，这项研究对丘脑输入到皮层的工作方式提出了诱人的启示。她说，其中之一是，鉴于丘脑突触的尺寸较小，它们很可能表现出显着的“可塑性”。另一个是多样性的惊人好处可能是一个普遍特征，而不仅仅是第 2/3 层视觉输入的特例。然而，需要进一步的研究才能确定。