5月14日,，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張思宇研究員團(tuán)隊(duì)在Science Advances雜志發(fā)表了題為Hierarchy in sensory processing reflected by innervation balance on cortical interneurons的研究論文。
視覺信息處理體系是以等級(jí)網(wǎng)絡(luò)的形式來架構(gòu)的,，參與其中的各節(jié)點(diǎn)的等級(jí)決定了信息流的方向,。低級(jí)腦區(qū)提呈信息傳遞至高級(jí)腦區(qū)，而高級(jí)腦區(qū)則整合低級(jí)腦區(qū)的信息后根據(jù)當(dāng)前行為目標(biāo)對(duì)視覺信息處理進(jìn)行調(diào)控。前期在靈長類和小鼠中的工作根據(jù)不同腦區(qū)之間的投射的軸突分布或皮層的不同種類中間神經(jīng)元的密度給皮層和丘腦區(qū)域進(jìn)行了等級(jí)排序,。同時(shí),，大規(guī)模電極記錄也明確了靈長類和小鼠中各視覺相關(guān)腦區(qū)在視覺信息處理上的特點(diǎn)，如等級(jí)越高神經(jīng)元感受野越大,，處理視覺信息的延時(shí)也更長,。但視覺網(wǎng)絡(luò)或更為廣義的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中攜帶等級(jí)信息的遠(yuǎn)距離投射如何與其支配區(qū)域的局部微環(huán)路發(fā)生相互作用而發(fā)揮其功能，即等級(jí)信息流的特征,，仍未有系統(tǒng)性的研究,。
在皮層中，主要種類的抑制性中間神經(jīng)元（PV+,，SST+和VIP+神經(jīng)元）與興奮性神經(jīng)元形成保守的微環(huán)路,，從而動(dòng)態(tài)且快速的調(diào)控局部區(qū)域興奮性神經(jīng)元的輸出。因此,，理解等級(jí)信息流如何與皮層區(qū)域的局部微環(huán)路相互作用,，可以預(yù)測攜帶等級(jí)信息的遠(yuǎn)距離輸入的功能，從而深化我們對(duì)神經(jīng)等級(jí)網(wǎng)絡(luò)的理解,。
張思宇研究員團(tuán)隊(duì)的研究對(duì)視覺選擇性注意各相關(guān)皮層區(qū)域不同種類神經(jīng)元構(gòu)成的子網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)解剖學(xué)連接圖譜以及細(xì)胞水平的功能學(xué)連接圖譜進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的算法抽提出了在視覺信息處理的網(wǎng)絡(luò)中攜帶等級(jí)信息的遠(yuǎn)距離輸入與局部微環(huán)路中各類神經(jīng)元相互作用的規(guī)律,。通過計(jì)算機(jī)建模分析,，預(yù)測了視覺選擇性注意網(wǎng)絡(luò)中各腦區(qū)的等級(jí)，明確了網(wǎng)絡(luò)中信息的流向及等級(jí)信息流在各類神經(jīng)元上的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性（圖1）,。
圖1,，視覺相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的等級(jí)架構(gòu)及攜帶等級(jí)信息的遠(yuǎn)距離輸入對(duì)皮層局部微環(huán)路的影響。
通過使用假性狂犬病毒介導(dǎo)的逆向跨單突觸示蹤技術(shù),，該工作從解剖學(xué)的角度系統(tǒng)性地研究了視覺選擇性注意相關(guān)各皮層區(qū)域不同種類抑制性神經(jīng)元的輸入,。全腦解剖學(xué)連接圖譜顯示皮層中同類神經(jīng)元接受的各不同來源的輸入強(qiáng)度差異可達(dá)10的4次方倍，凸顯了對(duì)解剖學(xué)數(shù)據(jù)的精確定量分析在理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)中的重要性（圖2,，圖3）,。
圖2，自主研發(fā)的基于Allenmouse brain atlas的解剖學(xué)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)
圖3,，皮層不同種類神經(jīng)元接收的全腦輸入分布,。A，各皮層區(qū)域的不同種類中間神經(jīng)元的全腦范圍內(nèi)的輸入在皮層及丘腦區(qū)域的分布,。B,，中間神經(jīng)元的全腦范圍內(nèi)的輸入在其他各主要亞區(qū)內(nèi)的分布。
根據(jù)解剖學(xué)連接組研究的結(jié)果,，該工作進(jìn)一步解析了皮層丘腦網(wǎng)絡(luò)中主要的皮層-皮層和丘腦-皮層輸入在細(xì)胞層面的功能學(xué)連接組,，闡明了具有不同等級(jí)方向性的輸入如何在時(shí)間維度上招募不同種類的神經(jīng)元，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)局部微環(huán)路的精確調(diào)控以及興奮-抑制的動(dòng)態(tài)平衡的機(jī)制（圖4）。
圖4,，丘腦皮層網(wǎng)絡(luò)中攜帶等級(jí)信息的遠(yuǎn)距離輸入的動(dòng)力學(xué)特性,。A，測量了電生理性質(zhì)的主要皮層-皮層和丘腦-皮層輸入,。B,，皮層-皮層輸入在不同種類皮層神經(jīng)元上的短時(shí)程可塑性。C,，D,，將皮層-皮層和丘腦-皮層輸入同時(shí)考慮，支持向量機(jī)分類器根據(jù)各投射在VIP+神經(jīng)元上的短時(shí)程可塑性,，可以很好的區(qū)別自下而上和自上而下的輸入,。
在構(gòu)建了皮層不同種類神經(jīng)元的全腦解剖學(xué)連接圖譜和細(xì)胞層面的功能學(xué)連接圖譜的基礎(chǔ)上，該工作進(jìn)一步使用機(jī)器學(xué)習(xí)的分類方法——支持向量機(jī)分類器（SVM classifier）來抽提攜帶等級(jí)信息的皮層-皮層和丘腦-皮層輸入與局部微環(huán)路中各類神經(jīng)元相互作用的規(guī)律,。支持向量機(jī)分類器學(xué)習(xí)了等級(jí)已知的皮層-皮層輸入的數(shù)據(jù)后,，發(fā)現(xiàn)自下而上的輸入更傾向于激活PV+神經(jīng)元，而自上而下的輸入更傾向于激活VIP+神經(jīng)元,。經(jīng)學(xué)習(xí)后的支持向量機(jī)分類器可用于預(yù)測其他方向未知的遠(yuǎn)距離輸入的等級(jí),，通過計(jì)算機(jī)建模分析該工作進(jìn)一步構(gòu)建選擇性注意相關(guān)各腦區(qū)的等級(jí)網(wǎng)絡(luò)，為研究網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在整體動(dòng)物行為層面的功能學(xué)連接圖譜奠定了基礎(chǔ),。
該研究由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張思宇研究員與中國科學(xué)院腦智卓越中心徐敏研究員團(tuán)隊(duì)合作完成,。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院助理研究員馬國芬和博士生劉燕梅為該研究的共同第一作者。研究受到了深先院徐富強(qiáng)研究員,、上海交通大學(xué)徐天樂教授及中國科學(xué)院腦智卓越中心李澄宇研究員的大力支持,。本工作得到基金委、上海市,、科技部和中科院的資助,。
