基础医学院张思宇课题组揭示感觉信息处理的等级与携带等级信息的远距离输入与皮层微环路相互作用的普遍规律
2021-05-14 浏览( 来源:基础医学院 
 撰稿:张思宇
 摄影:

5月14日,上海交通大学医学院张思宇研究员团队在Science Advances杂志发表了题为Hierarchy in sensory processing reflected by innervation balance on cortical interneurons的研究论文。

视觉信息处理体系是以等级网络的形式来架构的,参与其中的各节点的等级决定了信息流的方向。低级脑区提呈信息传递至高级脑区,而高级脑区则整合低级脑区的信息后根据当前行为目标对视觉信息处理进行调控。前期在灵长类和小鼠中的工作根据不同脑区之间的投射的轴突分布或皮层的不同种类中间神经元的密度给皮层和丘脑区域进行了等级排序。同时,大规模电极记录也明确了灵长类和小鼠中各视觉相关脑区在视觉信息处理上的特点,如等级越高神经元感受野越大,处理视觉信息的延时也更长。但视觉网络或更为广义的神经网络中携带等级信息的远距离投射如何与其支配区域的局部微环路发生相互作用而发挥其功能,即等级信息流的特征,仍未有系统性的研究。

在皮层中,主要种类的抑制性中间神经元(PV+,SST+和VIP+神经元)与兴奋性神经元形成保守的微环路,从而动态且快速的调控局部区域兴奋性神经元的输出。因此,理解等级信息流如何与皮层区域的局部微环路相互作用,可以预测携带等级信息的远距离输入的功能,从而深化我们对神经等级网络的理解。

张思宇研究员团队的研究对视觉选择性注意各相关皮层区域不同种类神经元构成的子网络的精细解剖学连接图谱以及细胞水平的功能学连接图谱进行了系统性的研究,并结合机器学习的算法抽提出了在视觉信息处理的网络中携带等级信息的远距离输入与局部微环路中各类神经元相互作用的规律。通过计算机建模分析,预测了视觉选择性注意网络中各脑区的等级,明确了网络中信息的流向及等级信息流在各类神经元上的强度和动态特性(图1)。

图1,视觉相关网络的等级架构及携带等级信息的远距离输入对皮层局部微环路的影响。


通过使用假性狂犬病毒介导的逆向跨单突触示踪技术,该工作从解剖学的角度系统性地研究了视觉选择性注意相关各皮层区域不同种类抑制性神经元的输入。全脑解剖学连接图谱显示皮层中同类神经元接受的各不同来源的输入强度差异可达10的4次方倍,凸显了对解剖学数据的精确定量分析在理解神经网络组织结构中的重要性(图2,图3)。


图2,自主研发的基于Allenmouse brain atlas的解剖学数据分析系统


图3,皮层不同种类神经元接收的全脑输入分布。A,各皮层区域的不同种类中间神经元的全脑范围内的输入在皮层及丘脑区域的分布。B,中间神经元的全脑范围内的输入在其他各主要亚区内的分布。


根据解剖学连接组研究的结果,该工作进一步解析了皮层丘脑网络中主要的皮层-皮层和丘脑-皮层输入在细胞层面的功能学连接组,阐明了具有不同等级方向性的输入如何在时间维度上招募不同种类的神经元,从而实现对局部微环路的精确调控以及兴奋-抑制的动态平衡的机制(图4)。

图4,丘脑皮层网络中携带等级信息的远距离输入的动力学特性。A,测量了电生理性质的主要皮层-皮层和丘脑-皮层输入。B,皮层-皮层输入在不同种类皮层神经元上的短时程可塑性。C,D,将皮层-皮层和丘脑-皮层输入同时考虑,支持向量机分类器根据各投射在VIP+神经元上的短时程可塑性,可以很好的区别自下而上和自上而下的输入。

在构建了皮层不同种类神经元的全脑解剖学连接图谱和细胞层面的功能学连接图谱的基础上,该工作进一步使用机器学习的分类方法——支持向量机分类器(SVM classifier)来抽提携带等级信息的皮层-皮层和丘脑-皮层输入与局部微环路中各类神经元相互作用的规律。支持向量机分类器学习了等级已知的皮层-皮层输入的数据后,发现自下而上的输入更倾向于激活PV+神经元,而自上而下的输入更倾向于激活VIP+神经元。经学习后的支持向量机分类器可用于预测其他方向未知的远距离输入的等级,通过计算机建模分析该工作进一步构建选择性注意相关各脑区的等级网络,为研究网络中各节点在整体动物行为层面的功能学连接图谱奠定了基础。

该研究由上海交通大学医学院张思宇研究员与中国科学院脑智卓越中心徐敏研究员团队合作完成。上海交通大学医学院助理研究员马国芬和博士生刘燕梅为该研究的共同第一作者。研究受到了深先院徐富强研究员、上海交通大学徐天乐教授及中国科学院脑智卓越中心李澄宇研究员的大力支持。本工作得到基金委、上海市、科技部和中科院的资助。




 

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