调查的突触组织视觉空间:突触看到什么?

了解我们的大脑如何解释和处理的视觉场景都被强烈的开创性工作以来的神经科学的努力休博尔和维塞尔在1950年代早期。他们在猫的视觉皮层植入电极,该地区的大脑对视觉信息,并显示图像的动物。这允许他们通过监听窃听神经元细胞发射响应视觉刺激的“快照”,“充满”和“弹出”的放大器。

现在,开创性工作从生物Sonja霍弗的实验室教授,巴塞尔大学,决定组织兴奋性突触输入响应不同位置的视觉场景。他们的方法实现缩放来衡量个人的活动从树突棘,伸出,树枝接收传入突触信息的神经元。他们的研究结果绘制了空间接受字段在鼠标视觉皮层神经元的树突棘使用双光子钙成像。

视觉皮层连接和大局

在视觉皮层锥体神经元响应的特定属性或刺激的视觉景象,如轮廓方向的前沿光栏在休博尔和威塞尔的研究上面所描述的那样,或单词在屏幕上阅读这篇文章。每个神经元响应这一信息在一个小区域的视觉空间,这个区域被称为它的接受域。

了解更多:视觉皮层处理听觉信息

锥体神经元收到成千上万的突触输入到他们的树状树突,但这些突触输入如何影响神经元的活动有助于理解视觉场景还有待了解。例如,在视觉皮层细胞的接线图看起来像什么?有这些规则,成千上万的突触在树突的锥体细胞排列吗?

而实验室着手调查”正如视觉皮层神经元之间的逻辑。

正如索尼娅说,“如果我们想要弄清楚大脑是如何工作的,我们必须了解大脑神经元彼此连接。“添加”,我们想找出特定功能的神经元收到什么信息的视觉场景通过突触输入,和如何安排这些输入树突树。通过了解这些因素,我们可以开始解释规则,在皮质电路连接。”

成像突触活动:眼见为实

记者表达分子会发出荧光,当细胞活跃在初级视觉皮层锥体神经元,研究人员可以直接看到和图像神经元活动。分子被称为GCamp6迅速改变其形状的细胞被激活,使其发出荧光。使用2-photon激光,科学家们可以针对GCamp6表达神经元及其薄树突埋在视觉皮层,并记录他们的活动作为荧光的变化在很长一段时间。使用这种方法,科学家们观察个体树突棘对视觉刺激的回应。

视频trial-averaged响应鼠标视觉皮层神经元的漂流光栅刺激,测量使用GCaMP6和双光子显微镜。信贷:在实验室、麻省理工学院。

放大刺

组显示老鼠一系列随机的黑暗或光明点在屏幕上,记录了刺来回应这些出现和消失点。通过放大的树突棘GCamp6-labelled细胞,科学家们可以接受的字段映射。集团减去直接测量的荧光信号从树突刺自己的活动,并显示有特定的输入映射在突触水平反映了区域的视觉场景细胞响应,其接受域。沿着树突棘和集群接受域关联在一起,和刺接受字段,没有重叠也更容易在树突远。

索尼娅的相关性这一发现解释道,“我们的数据表明,突触输入到视觉皮层锥体细胞倾向于集群短树突距离如果他们应对类似的视觉特性,占领地区视觉空间相似。”

她接着解释这一发现的重要性,视觉神经科学领域,“许多视觉神经科学家仍然认为最重要的特征在视觉皮层神经元是哪个方向的一个酒吧或者喜欢的优势。我们表明,最好是详细的视觉特性的神经元响应决定如何组织这些突触输入,而不是他们的取向偏好。”

这个集群的树突突触输入是有意义的。输入被激活以回应相同的功能在一个视觉场景将更可能诱发响应的神经元如果他们是活跃的同样的同时树突。

阅读更多关于突触集群:突触聚集层5视觉皮层的神经元

远程连接

而组织还调查了安排的树突突触与这些输入的接受域。他们表明,输入神经元代表相似,附近的视觉特性在视觉空间更有可能终止接近细胞树突分支。

有趣的是,研究人员发现大约有30%的锥体神经元的突触输入仍然来自遥远的细胞,但这些终止细胞树突分支上远离身体。

相关:视觉皮层参与眼球运动反射可塑性

这些远程输入激活刺,但前提是他们起源的神经元响应特性一致的环境“同轴”,一个几何术语,意指功能共享一个共同的轴,突触后细胞。

这意味着,如果你在很长一段水平线喜欢墙的边缘在下面的图中,图像经过许多细胞的接受域视觉皮层中有相同的方向选择性。这些细胞中挑出相似的特征的视觉场景与紫色的神经元的感受野(冲紫圆)也将刺激活动。这意味着重叠的蓝色细胞感受野(蓝色虚线圆),还挑出墙的水平边缘将相互地激发紫色的细胞。和遥远的绿色细胞(绿色虚线圆)的接受域也是交叉的墙边缘也会让紫色的神经元兴奋,尽管突触蓝色细胞一个较远的地方。橙色紫色的神经元细胞不会信号,因为它的接受域不接任何类似的功能。这个连接可以使我们很快解释墙上边缘作为一个长线在我们的视野。

接受字段(虚线圆圈)视觉皮层神经元的挑出不同特性的视觉场景。

视觉神经科学家已知的长远的视觉皮层锥体神经元之间的联系很长一段时间,但只能假设它们的重要性。证明长远的神经元挑选相似的特征在视觉场景和连接到对方代表一个重要的发现和对视觉神经科学领域的一大进步。

进一步阅读: 不对称电路使运动可视化

看到:在未来

现在新的问题出现,这些远程预测的进化目的是什么?他们使我们能够快速解析我们的环境的视觉场景吗?,这可以解释为什么我们的大脑可以骗到看到边缘,不是吗?如蓝色三角形在前台下面的光学错觉。

完形现象盈方锥体神经元的错觉。你看到一个三角形,并不是身体上的吗?信贷:生物,巴塞尔大学。

然而,要完全理解突触的这种安排如何影响锥体神经元的活动,然后所有视觉皮层锥体神经元,作者需要可视化的活动在所有细胞的树突棘。不幸的是,这是目前不可能由于技术限制,您需要同时放大所有树突棘突在大型3 d的脑组织。

尽管如此,这项研究的结果提供了一个展示洞察的模式连接在视觉皮层神经元开放一个新的水平的理解,探索视觉。