研究揭示感觉信息处理的等级决定远距离输入对

5月14日，Science Advances在线发表了一篇名为《》的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海市脑科学与类脑研究中心、国家重点实验室研究员徐敏课题组共同组织神经科学博士，上海交通大学医学院研究员张思宇课题组。本研究首次系统地研究了视觉选择性注意的各个相关皮层区域由不同类型神经元组成的子网络的精细解剖连接图和细胞水平的功能连接图；信息处理网络中携带分层信息的远距离输入与局部微回路中各类神经元相互作用的规律对于理解基于分层架构的神经网络中的信息处理机制具有重要意义。

视觉信息处理系统以层次网络的形式构成，参与其中的各个节点的层次决定了信息流向。下级脑区将信息呈现给上级脑区，上级脑区整合下级脑区的信息，根据当前的行为目标调节视觉信息处理。在灵长类动物和小鼠的早期工作中，研究人员根据投射在不同大脑区域之间的轴突分布或皮层中不同类型中间神经元的密度，对皮层和丘脑区域进行排序。同时，大规模电极记录也阐明了灵长类动物和小鼠各个视觉相关脑区的视觉信息处理特征。例如，级别越高，神经元感受野越大，处理视觉信息的延迟时间越长。然而，视觉网络中携带分层信息的长距离投影或更广义的神经网络如何与其主导区域的局部微循环相互作用以发挥其功能（即分层信息流的特性），则有仍然没有系统的研究。

在皮层中，主要类型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回路，从而动态快速地调节局部兴奋性神经元的输出。因此，了解层次信息流如何与皮层区域的局部微电路相互作用，可以预测远程输入携带层次信息的功能，从而加深对神经层次网络的理解。

本研究利用伪狂犬病病毒介导的逆反单突触追踪技术，从解剖学的角度系统地研究了与视觉选择性注意相关的各个皮层区域中不同类型的抑制性神经元。进入。全脑解剖连接图显示，皮层同类型神经元不同来源的输入强度相差高达10⁴倍，突出解剖数据准确定量分析理解神经网络组织 在结构中的重要性。

基于解剖连接组的结果，研究人员进一步分析了皮质丘脑网络中细胞水平的皮质-皮质和丘脑-皮质输入功能连接组，并澄清其具有不同的层次的方向性。如何随着输入在时间维度上招募不同类型??的神经元，从而实现局部微电路的精确调控和兴奋抑制动态平衡的机制。根据不同层次皮质-皮质输入的强度和动态特性，自下而上的远程输入首先招募PV+神经元，经过一段时间的积累，可以招募VIP+神经元；自上而下的远程输入先招募VIP+神经元经过一段时间的积累可以招募SST+神经元。考虑到自下而上和自上而下长距离输入的时间差异，这两种输入很可能同时激活 VIP+ 神经元，从而增强感觉信息处理的自上而下调节。自上而下输入积累一段时间后，SST+神经元的募集可以抑制PV+和VIP+神经元，可能在局部微电路的再平衡中起重要作用。丘脑-皮层输入的选择性和动态特性与皮层-皮层输入大致相同，只是自上而下的丘脑-皮层输入在SST+神经元上出现短期减弱且无法累积，表明丘脑-皮质输入与皮质-皮质输入的主要区别在于SST+神经元的募集。

本研究在构建皮层不同类型神经元全脑解剖连接图和细胞水平功能连接图的基础上，进一步采用机器学习分类方法——支持向量机分类器（SVM分类器）提取皮质-皮质和丘脑-皮质输入，这些输入携带层次信息和局部微电路中各类神经元之间的相互作用规律。支持向量机分类器学习到已知级别的皮质-皮质输入数据后，发现自下而上的输入更有可能激活PV+神经元，而自上而下的输入更可能激活VIP+神经元。学习到的支持向量机分类器可用于预测其他方向未知的远程输入的水平。本研究通过计算机建模和分析，进一步构建了一个选择性注意相关大脑区域的层次网络，目的是研究网络中每个节点的状态。整体动物行为层面的功能连接图奠定了基础。

该研究由上海交通大学医学院助理研究员马国芬和博士生刘艳梅在徐敏和张思宇的指导下完成。该研究工作得到了中国科学院深圳先进技术研究院徐福强研究员、上海交通大学医学院教授徐天乐、脑中心研究员李成宇的支持卓越，并得到科技部、国家自然科学基金、中国科学院和上海资助项目的支持。

图1.研究表明，感官信息处理水平决定远距离输入到皮层中间神经元的神经支配特征

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