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利用微型化雙光子技術(shù)揭示自我中心(主觀)表征神經(jīng)機(jī)制

閱讀:230      發(fā)布時(shí)間:2025-5-28
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以自我中心(主觀視角)為參考系的外部物體編碼對(duì)于導(dǎo)航至關(guān)重要,因?yàn)榇蠖鄶?shù)感官刺激在這一坐標(biāo)系中表征(前后左右)。而人們廣為熟知的位置細(xì)胞、網(wǎng)格細(xì)胞和頭朝向細(xì)胞是以世界為中心編碼(客觀視角),涉及到類似于東西南北這樣的坐標(biāo)系。但是世界中心的編碼是建立在自我中心編碼的計(jì)算和轉(zhuǎn)換之上的。雖然近期在圍繞內(nèi)側(cè)顳葉導(dǎo)航和記憶系統(tǒng)的大腦區(qū)域中對(duì)自我中心表征已有初步報(bào)道,但關(guān)于自我中心編碼如何處理相同或不同場景中的不同物體的神經(jīng)機(jī)制仍然所知甚少。

為了在亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)層面解析自我中心(主觀)表征的神經(jīng)機(jī)制,作者利用了超維景自主研發(fā)的微型化高分辨率雙光子顯微鏡(FHIRM-HR),可以長時(shí)間觀測近千個(gè)樹突棘(spine)和樹突(dendrite),實(shí)現(xiàn)樹突棘和樹突精細(xì)結(jié)構(gòu)的成像。

2023年12月14日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所王成研究員團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳小菁助理教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在國際著名期刊Neuron發(fā)表題為“Egocentric processing of items in spines, dendrites, and somas in the retrosplenial cortex “ 的研究論文。利用微型化雙光子成像技術(shù)等研究手段,該論文報(bào)道了:1)自我中心神經(jīng)元在突觸層次信息傳遞過程中呈現(xiàn)功能聚類;2)不同場景募集獨(dú)立群體的自我中心神經(jīng)元。

利用微型化雙光子技術(shù)揭示自我中心(主觀)表征神經(jīng)機(jī)制

論文上線截圖


在曠場自由覓食導(dǎo)航任務(wù)、虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航任務(wù)中,作者首先利用單光子鈣成像記錄和研究了壓后皮層 (Retrosplenial cortex, RSC) 神經(jīng)元活動(dòng)的自我中心表征,接下來為了在亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)層面上探討自我中心表征的機(jī)制,作者使用了FHIRM-HR對(duì)RSC神經(jīng)元的樹突和樹突棘進(jìn)行了活體雙光子鈣成像。作者發(fā)現(xiàn),約47% (36/76) 的樹突和約30% (241/802) 的樹突棘具有顯著的自我中心邊界調(diào)節(jié)(圖1),以上研究表明RSC神經(jīng)元及其亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以編碼有關(guān)環(huán)境邊界的自我中心信息。

利用微型化雙光子技術(shù)揭示自我中心(主觀)表征神經(jīng)機(jī)制

圖1. 微型化雙光子顯微鏡下樹突、樹突棘的自我中心表征


進(jìn)一步對(duì)采集的雙光子數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,RSC神經(jīng)元接受了與自我中心信號(hào)整合的不同類型的功能輸入,自我中心輸入可能有助于提高分配中心空間選擇性(圖2)。分析樹突棘和樹突的調(diào)諧曲線發(fā)現(xiàn),相似調(diào)節(jié)的自我中心樹棘突的空間聚集可能有助于加強(qiáng)自我中心選擇性,以自我為中心的樹突的調(diào)諧相關(guān)性顯著大于非以自我為中心的樹突(圖3)。樹突棘的活動(dòng)特征反映了突觸前輸入的功能屬性,而樹突的活動(dòng)特性反應(yīng)了突觸后對(duì)輸入進(jìn)行整合的性質(zhì)。研究結(jié)果揭示了樹突中具有顯著自我中心調(diào)諧的功能聚類,這表明可能存在專門的神經(jīng)功能通道用于處理編碼不同場景中物體的自我中心信息。

利用微型化雙光子技術(shù)揭示自我中心(主觀)表征神經(jīng)機(jī)制

圖2. 樹突和樹棘突中空間選擇性、頭部方向和軸承邊界的交互作用

利用微型化雙光子技術(shù)揭示自我中心(主觀)表征神經(jīng)機(jī)制

圖3. 軸承邊界調(diào)諧的微觀組織


為了檢驗(yàn)這些細(xì)胞是否還表征不同場景中的物體,作者又進(jìn)一步比較了在兩個(gè)任務(wù)中不同物體的自我中心編碼,發(fā)現(xiàn)在截然不同的空間導(dǎo)航任務(wù)中,相互獨(dú)立群體的神經(jīng)元編碼不同場景中的物體。即一個(gè)細(xì)胞屬于自我中心邊界細(xì)胞(編碼曠場中的環(huán)境邊界)和自我中心地標(biāo)細(xì)胞(編碼虛擬現(xiàn)實(shí)世界中的地標(biāo))的概率與兩個(gè)維度獨(dú)立編碼的預(yù)期一致。這些發(fā)現(xiàn)支持自我中心表征采用labeled line編碼的觀點(diǎn),即有專門的細(xì)胞群體專門處理不同場景中的不同物體,而不是分布式的群體編碼。


總結(jié)

在該研究中,研究團(tuán)隊(duì)解析了自我中心神經(jīng)元在亞細(xì)胞層次的組織結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)其在不同場景下,自我中心神經(jīng)元在結(jié)構(gòu)功能上的變化,該研究對(duì)理解生物體如何編碼處理空間信息,構(gòu)建抽象的空間感知有重要啟發(fā),對(duì)人工智能領(lǐng)域類腦智能算法的設(shè)計(jì)和研究具有重要的借鑒意義。


【參考文獻(xiàn)】

Cheng, N., Q. Dong, Z. Zhang, L. Wang, X. Chen & C. Wang (2023) Egocentric processing of items in spines, dendrites, and somas in the retrosplenial cortex. Neuron.doi: 10.1016/j.neuron.2023.11.018


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