视觉信息是如何从视网膜传到中脑的
Universitätsmedizin柏林和马克斯·普朗克生物智能研究所(目前正在建立过程中)的研究人员已经揭示了视网膜内的感觉神经元和上丘(中脑的一个结构)之间的精确连接。神经像素探针是一种相对较新的发展，代表了下一代电极。密集的记录点，神经像素探针被用来记录神经细胞的活动，并促进了这些最近对神经回路的洞察。写在自然通讯，研究人员描述了哺乳动物和鸟类视觉系统的一个共同的基本原理。
大脑中有两个结构对视觉刺激的处理至关重要:初级大脑皮层中的视觉皮层和上丘，一个结构在中脑．视觉和视觉信息的处理涉及高度复杂的过程。简而言之，视觉皮层负责一般的视觉感知，而进化较老的中脑结构负责视觉引导的反射行为。
视觉皮层中视觉处理的机制和原理是众所周知的。由Jens Kremkow博士领导的研究团队所进行的工作为我们在这一领域的知识做出了贡献，并在2017年在Charité的神经科学研究中心(NWFZ)建立了Emmy Noether初级研究小组。研究小组的主要目的是进一步提高我们对参与视觉系统的神经细胞的理解。还有许多未解之谜，包括视觉信息是如何在中脑上丘处理的细节。
视网膜神经节细胞是眼睛视网膜内的感觉细胞，它对外部视觉刺激做出反应，并将接收到的信息发送到大脑。直接信号通路确保视网膜神经细胞接收到的视觉信息也能到达中脑。“直到现在，视网膜中的神经细胞和中脑中的神经细胞是如何在功能水平上联系在一起的，这在很大程度上是未知的。研究负责人Kremkow博士说:“关于上丘神经元处理突触输入的方式的知识匮乏也同样明显。”“这些信息对于理解中脑处理机制至关重要。”
到目前为止，还无法测量生物体内视网膜和中脑神经元突触连接的活性。在他们最近的研究中，研究团队开发了一种基于创新的高密度电极(称为神经像素探针)获得的测量方法。准确地说，神经像素探针是微小的线性电极阵列，沿着狭窄的柄具有大约1000个记录点。这些设备由384个电极组成，用于同时记录大脑神经元的电活动，已经成为神经科学领域的游戏规则改变者。
在Charité和马克斯普朗克生物智能研究所工作的研究人员现在已经使用这种新技术确定了小鼠(上丘)和鸟类(视顶盖)的相关中脑结构。这两种大脑结构具有共同的进化起源，在两组动物的视网膜输入信号的视觉处理中都起着重要作用。他们的工作使研究人员有了一个惊人的发现。
通常，这种类型的电生理记录测量来自于躯体(神经元的细胞体)的动作电位的电信号，" Kremkow博士解释道。“然而，在我们的记录中，我们注意到信号的外观不同于正常的动作电位。我们继续研究这一现象的原因，发现中脑的输入信号是由视网膜神经节细胞的“轴突树杈”(分支)内传播的动作电位引起的。我们的发现表明，新的电子阵列技术可以用来记录电信号由轴突发出，轴突是传递神经元信号的神经细胞投射体。这是一个全新的发现。”克拉姆科夫的团队能够同时捕捉到视网膜上神经细胞的活动，以及中脑中与它们突触相连的目标神经元，这在全球尚属首次。
直到现在，眼睛和中脑之间的功能连接仍然是一个未知数。研究人员能够在单细胞水平上表明，来自中脑视网膜神经节细胞的输入的空间组织构成了原始视网膜输入的非常精确的表示。
“中脑的结构有效地提供了视网膜结构几乎一对一的副本，”Kremkow博士说。“我们的另一个新发现是，中脑的神经元从视网膜神经节细胞接收到非常强烈和特定的突触输入，但只来自其中的一小部分感觉神经元．这些神经通路使得眼睛的视网膜和中脑的相应区域之间有了非常结构化和功能性的连接。”
除其他外，这一新发现将增强我们对盲视现象的理解，这种现象可以在遭受视力损伤的个体中观察到视觉皮层因为创伤或肿瘤。由于没有意识知觉，这些个体保留了处理视觉信息的剩余能力，这导致了对刺激、轮廓、运动甚至颜色的直觉感知，这似乎与中脑有关。
为了测试最初在小鼠模型中观察到的原则是否也适用于其他脊椎动物，从而检验它们是否在自然界中更普遍。Kremkow和他的团队与马克斯·普朗克生物智能研究所的团队合作，该研究所由Daniele Vallentin博士领导的Lise Meitner研究小组专注于神经元电路负责协调鸟类的精确动作。
“使用相同类型的测量，我们能够证明，在斑胸草雀中，连接视网膜和中脑的神经束的空间组织遵循类似的原则，”瓦伦汀博士说。“这一发现令人惊讶，因为鸟类的视力明显更高，而且鸟类和哺乳动物之间的进化距离相当大。”
研究人员的观察表明，在视顶盖和上丘的视网膜神经节细胞表现出相似的空间组织和功能布线。他们的发现使研究人员得出结论，所发现的原理对哺乳动物中脑的视觉处理一定是至关重要的。这些原则在自然界中甚至可能是普遍的，适用于所有脊椎动物的大脑，包括人类的大脑。
关于研究人员的未来计划，Kremkow博士说，“现在我们了解了功能，马赛克般的连接视网膜神经节细胞以及上丘内的神经元，我们将进一步探索感官信号在视觉系统中处理的方式，特别是在中脑区域，以及它们如何促进视觉引导的反射行为。”该团队还想确定这种新方法是否可以用于其他结构，以及是否可以用于测量大脑其他部位的轴突活动。如果这被证明是可能的，它将为探索大脑的潜在机制提供大量的新机会。
进一步探索
