视觉经验降低了皮层反馈输入与初级视皮层神经元之间的空间冗余
在一项题为“Visual Experience Reduces the Spatial Redundancy between Cortical Feedback Inputs and Primary Visual Cortex Neurons”的研究中，Rodrigo F. Dias、Radhika Rajan及其团队探讨了视觉经验如何影响大脑皮层反馈通路的空间冗余性。此项研究由Champalimaud Neuroscience Programme的科学家在葡萄牙里斯本的Champalimaud Foundation开展，并发表在2024年10月9日的《Neuron》期刊上。此项研究聚焦于小鼠视觉皮层的反馈回路，探索视觉经验如何改变来自高阶视觉区（lateromedial, LM区）到初级视觉皮层（primary visual cortex, V1）的输入组织。
背景与研究动机
视觉认知是一个复杂的过程，其中包含了对外部感知的处理和高阶认知的反馈整合。当前研究指出，高阶皮层区的反馈能够根据特定情境和预期对初级视觉皮层的神经活动进行调节。视觉感知被认为是由一种包含多层次处理和反馈的层级网络实现的，但不同层次之间的信息整合和具体实现机制仍未完全理解。现有文献显示，LM区的反馈信息能够精确匹配初级视觉皮层V1的某些神经元活动模式，并受到经验影响。这些反馈回路的拓扑结构与视觉经验相关，但其机制尚不清楚。Dias等人希望通过该研究揭示视觉经验对小鼠LM区和V1反馈通路组织结构的影响，以解答高阶皮层如何根据视觉经验调控初级皮层的感知。
研究流程与方法
为了探讨视觉经验对LM到V1反馈组织结构的影响，研究团队将小鼠分为不同的饲养环境：完全在黑暗中饲养（dark-reared postnatal day 0, DRP0）、在出生后前21天暴露于光照条件，然后转为黑暗环境（dark-reared postnatal day 21, DRP21）和在正常光照周期下饲养（normally reared, NR）。研究团队通过对不同条件下的小鼠进行荧光标记和双光子显微成像，记录LM神经轴突在V1层1 (L1)处的活动。LM区被分别注射荧光蛋白GCaMP6s和红色钙离子指标jRGECO1a，用于标记LM和V1的神经活动，并利用信号成像对标记的准确性进行验证。
实验采用运动光栅刺激法，对小鼠进行对侧视觉刺激。研究通过测量LM输入的接受场（receptive field, RF）和V1神经元接受场之间的重叠程度，量化反馈信息的空间冗余性。研究团队还开发了一个计算模型，模拟视觉经验如何通过最小化接受场重叠来改变LM和V1神经元之间的反馈组织。
实验结果
1. 视觉经验减少了LM到V1的反馈冗余性
研究显示，视觉经验不会改变LM输入的总体拓扑结构，即LM输入和V1神经元在空间上保持匹配，即便在黑暗环境中饲养的小鼠中亦是如此。然而，在正常饲养的小鼠中，LM反馈输入与V1神经元的空间匹配度相对较低，意味着更多的LM输入信息是传递远处背景信息而非局部信息，这一现象在完全黑暗饲养的小鼠中并不明显。进一步的数据分析表明，视觉经验的增加会减少反馈输入的空间重叠，从而实现视觉信息的去冗余化。
2. 不同层次反馈通路的差异性
研究还发现，LM区源自不同层次（L2/3层和L5层）的反馈通路在空间冗余性上存在显著差异。L2/3层的反馈输入更集中于V1的近邻区域，而L5层的输入则更倾向于传递远处背景信息。正常饲养的小鼠中，L5层输入表现出视觉经验依赖的定向选择性。研究者观察到，L5层中的神经元在传递周围视觉信息方面比L2/3层更具有优势，暗示不同层次的反馈回路在视觉加工中可能具有不同的功能角色。
3. 定向选择性组织的经验依赖性
进一步分析表明，L5层的LM输入根据其对光栅的定向偏好呈现出经验依赖的组织形式。实验结果显示，L5层中倾向于垂直或水平偏好的神经元在不同空间位置上存在差异，而视觉经验强化了这种定向选择性的空间组织，使得垂直偏好的反馈输入在纵向分布上趋于减少。这种现象未在L2/3层中观察到，表明视觉经验主要影响了L5层的定向选择性组织。
4. 计算模型验证
研究团队的计算模型成功模拟了视觉经验对LM-V1反馈通路的影响。模型通过选择非重叠的反馈输入实现视觉信息的去冗余化，证实了LM反馈通路中的视觉经验依赖性组织可以通过减少接受场重叠来实现。这一发现支持了视觉皮层反馈输入在预测性编码中的作用理论，即反馈回路通过选择性减少与下游神经元的连接，形成特定的学习模式，以预测高阶神经元和低阶神经元的联合活动。
研究结论与意义
Dias等人的研究表明，视觉经验在降低LM到V1反馈通路的空间冗余性方面起着关键作用。这种去冗余化过程可能通过经验依赖的选择性组织实现，为解释大脑如何通过反馈机制整合高阶视觉信息提供了重要的生理学基础。该研究不仅揭示了视觉皮层的反馈投射的精细组织结构，还展示了视觉经验如何通过特定的机制来塑造这种反馈组织的独特性。研究结果支持了层级计算中反馈输入需要学习预测低阶神经元活动的理论，提供了大脑如何通过减少神经元间的空间冗余来实现视觉信息优化处理的生理机制。这一发现有望为视知觉相关的神经机制研究提供新的思路，且可能为视觉损伤恢复及感知训练等应用提供理论基础。
研究亮点
- 视觉经验的空间冗余最小化效应：视觉经验能够减少LM输入和V1神经元的接受场重叠，从而实现视觉信息的去冗余化。
- 层次反馈回路的差异化角色：不同层次（L2/3和L5）反馈输入在传递远近信息上存在功能差异，提示不同反馈回路在视觉感知中的特定角色。
- 视觉经验依赖的定向选择性组织：L5层的LM反馈输入根据定向选择性呈现出经验依赖的空间组织。
- 计算模型验证：实验所建模型成功模拟了经验依赖的反馈组织机制，支持视觉皮层反馈回路在信息处理中的预测性编码功能。
这项研究的发现为理解视觉皮层的反馈回路提供了新的视角，揭示了视觉经验如何塑造神经元之间的组织结构，为视知觉神经网络的层次性和经验依赖性提供了重要的实验支持。