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Nature:视觉皮层中兴奋网络的解剖与功能

 

    结合高通量功能成像技术制作的皮层神经元网络,达到单细胞的分辨率,其中每一根“线”及它们之间的连接都能看见,一些神经元根据它们在活脑中的活动方式被编成不同颜色。这也是功能连接组学上的最新样本。

据美国艾伦脑科学研究所消息,由该所和哈佛医学院(HMS)、弗兰德斯神经电子学研究所科学家(NERF)共同组成的国际研究团队,在本周出版的《自然》杂志上发表了迄今最大的脑皮层神经元连接网络研究报告,揭示了脑网络组织中的一些关键因素。

脑皮层是对外界信息进行高级处理的地方,最简单的神经网络也包含了数百万个连接,研究这些巨大的网络是理解大脑如何工作的关键。研究工作从识别小鼠视觉皮层的神经元开始,然后制作超薄脑切片,对目标细胞和突触拍摄大量图像,重建了三维图,跟踪各个神经元定位它们之间的连接。

分析这些数据产生了许多成果,包括首个支持以往观点的直接结构证据:那些执行相似任务的神经元之间,比执行不同任务的更容易形成连接,而且执行相似任务的神经元连接更多。

NERF首席研究员温森特·博宁说:“我们首次发现了一些解剖证据,在皮层网络中存在模块化结构,神经元之间存在支持特定功能连接的结构基础。我们的方法能确定神经回路的组织原则。现在我们打算找到皮层连接的基本图案,作为大脑网络功能的结构单元。”

这一脑网络计划开始于近10年前。艾伦脑科学研究所高级研究员克雷·雷德说,这些成果是该计划的一个高潮。他们用了高通量技术,收集了多个关于脑活动和脑连线的大数据库。研究在规模和细节上都达到前所未有的程度。同时他们也学到了大量脑网络方面的知识,可帮助掌握脑结构与功能间的关系。

研究数据即将放到网上,与其他研究人员共享。论文第一作者、HMS神经生物学博士李韦忠(音译)说:“虽然这是整个研究中的一个里程碑,但它只是开始。通过发现脑回路、神经元和网络计算之间的关系,现在我们有了可以对大脑逆向工程的工具。”

参阅文献:

Anatomy and function of an excitatory network in the visual cortex

Nature (2016) doi:10.1038/nature17192

Circuits in the cerebral cortex consist of thousands of neurons connected by millions of synapses. A precise understanding of these local networks requires relating circuit activity with the underlying network structure. For pyramidal cells in superficial mouse visual cortex (V1), a consensus is emerging that neurons with similar visual response properties excite each other but the anatomical basis of this recurrent synaptic network is unknown. Here we combined physiological imaging and large-scale electron microscopy to study an excitatory network in V1. We found that layer 2/3 neurons organized into subnetworks defined by anatomical connectivity, with more connections within than between groups. More specifically, we found that pyramidal neurons with similar orientation selectivity preferentially formed synapses with each other, despite the fact that axons and dendrites of all orientation selectivities pass near (<5 μm) each other with roughly equal probability. Therefore, we predict that mechanisms of functionally specific connectivity take place at the length scale of spines. Neurons with similar orientation tuning formed larger synapses, potentially enhancing the net effect of synaptic specificity. With the ability to study thousands of connections in a single circuit, functional connectomics is proving a powerful method to uncover the organizational logic of cortical networks.

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