神经网络的三维重建提供了前所未有的洞察力感觉皮层的组织原则
马克斯·普朗克生物控制论研究所研究人员(德国),阿姆斯特丹自由大学(荷兰)和佛罗里达马克斯·普朗克神经科学研究所(美国)成功地重建神经网络互连的基本单位感觉皮层,皮层列。
神经科学研究的一个关键挑战是确定大脑如何整合感官信息组织原则从其环境中生成的行为。这些原则的主要决定因素之一是高度复杂的组织结构,互联网络的神经元在大脑中。Oberlaender博士和他的合作者已经开发出新颖的技术来重建anatomically-realistic 3 d模型的神经网络在啮齿动物的大脑。合成模型现在已经提供了前所未有的洞察力如何神经元的基本功能单元内和跨感觉皮层-皮质列——是相互关联的。研究人员发现,与十年的重点描述皮质内神经通路列,大部分大脑皮层神经元电路互联在列。此外,这些“trans-columnar网络是不均匀的结构。相反,“trans-columnar”路径遵循多个高度专业化的原则,例如镜子,在外围感官受体的布局。因此,皮质列的概念,因为皮质的主要实体处理,现在可以扩展到下一个层次的组织,多个组,特别是互联皮质列形式的皮层单元”。研究人员认为,这些高阶单元的主要皮质实体集成来自多个感官受体的信号,例如提供关于未来预期信息刺激。
三维模型为研究皮层组织
老鼠是夜间活动的动物使用面部胡须作为他们的主要感官受体东方自己的环境。例如,确定的位置,大小和质地的对象,他们有节奏地前后移动的胡须,从而探索和接触对象在他们眼前的环境。这种触觉感官信息然后通过whisker-specific从外围到感觉皮层神经元通路,其中每个个体须激活神经元位于一个专用的皮质列。面部胡须和皮质之间是一一对应的列呈现啮齿动物vibrissal系统作为一个理想的模型来调查皮质列的结构和功能的组织。
在他们发表在4月大脑皮层,马塞尔博士Oberlaender,伯特Sakmann博士和合作者描述他们的研究揭示了如何组织在啮齿动物的大脑皮层列通过超过150的系统重建单个神经元细胞类型(图片(顶级)显示了每一个例子10在皮层细胞类型)的躯体感觉皮质vibrissal域(皮层参与解释感官信息的面积从啮齿动物的胡须)。
3 d重建单个大鼠皮质神经元——:模范的每个神经元重建的10个主要细胞类型vibrissal老鼠的一部分感觉皮层(神经元的树突,接收来自其他神经元的信息,显示为红色;轴突是彩色根据各自的细胞类型)。底部:叠加重建轴突(颜色根据各自的细胞类型)坐落在一个皮质列(水平白线在中心代表本专栏的边缘)。轴突的所有细胞类型项目的尺寸列之外,连接多个列(白色圆圈)通过高度专业化水平的途径。信贷:佛罗里达马克斯普朗克研究所神经科学
特别是,研究人员结合神经元标记的有生命的动物,与专门设计的高分辨率三维重建技术和集成的形态转化为一个精确的皮质电路模型。合成数据集可以被看作是最全面的调查皮质电路迄今为止,和显示惊人的皮层组织的原则。首先,所有细胞类型的神经元轴突投射的多数——神经元传递信息的其他神经元,远远超出了他们位于边界的皮质列。因此,信息从一个须将扩散到多个皮质列(图像(底部)中显示出一个皮质的神经元轴突位于列项目周围的所有列(白色圆圈))。第二,这些trans-columnar通路不均匀的结构。相反,每个细胞类型显示特定的和不对称的轴突投射模式,例如连接列表示胡须具有相似距离底部的鼻子。最后,研究者表明,观察trans-columnar通路可能是有利的原则,任何先前假定皮层模型相比,编码复杂的感官信息。
根据Oberlaender博士,神经学家马克斯普朗克生物控制论和guest-scientist马克斯·普朗克佛罗里达理工学院神经科学,“几十年来已经有证据表明皮层列横向连接到相邻的列。然而,由于柱状的主导地位概念的基本功能单位皮层,和方法论的限制,阻止重建完整的3 d神经元形态,先前的皮质电路的描述主要集中在垂直路径在一个个人皮质列。”
目前的研究从而标志着大步前进的组织原则的理解大脑皮层和奠定了基础为未来的研究提供非凡的洞察感官信息是如何表示的,皮质内处理和编码电路。“我们的新方法研究皮层组织可以作为一个路线图重建完整的3 d为其他感官系统电路图和物种,这将有助于揭示可概括的,因此大脑回路和组织的基本方面,“Oberlaender博士解释说。
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出版
R.T. Narayanan, r·艾格博士约翰逊,收听距离Mansvelder, b . Sakmann C.P.J.德考克,m . Oberlaender。柱状组织之外:水平轴突细胞类型和目标分层的原则在老鼠Vibrissal皮层投射模式。大脑皮层,网上发布的2015年4月1日。doi: 10.1093 / cercor / bhv053
