稀疏、小而多样的神经连接有助于使感知可靠、高效

大脑的大脑皮层根据被称为丘脑的区域提供的感觉信息产生知觉。

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的威廉·r·和琳达·r·杨教授艾利·内迪维说:“丘脑如何与皮层沟通，是大脑如何解释世界的一个基本特征。”尽管丘脑对皮层的输入很重要，但鉴于两个区域之间观察到的连接或“突触”相对较少，神经科学家一直在努力理解它是如何如此良好地工作的。

为了帮助缩小这一知识差距，Nedivi在麻省理工学院内外进行了合作，应用了几种创新方法。在一项新的研究中自然神经科学研究小组报告说，丘脑对皮层浅层的输入不仅很少，而且出奇地弱，而且分布模式相当多样化。尽管如此，从总体上看，它们是可靠而有效的信息代表，它们的多样性是这些优势的基础。

从本质上讲，通过细致地绘制小鼠视觉皮层2/3层15个神经元上的每个丘脑突触，然后建模这些输入如何影响每个神经元对视觉信息的处理，研究小组发现，丘脑突触数量和排列的广泛差异使它们对视觉刺激特征具有不同的敏感性。而单个神经元因此，不能可靠地解释刺激的各个方面，一小部分人可以可靠有效地组合出整体情况。

“这种异质性似乎不是一个bug，它不仅提供了成本效益，而且还赋予了扰动的灵活性和稳健性，”该研究的通讯作者、麻省理工学院生物和大脑与认知科学系的教员内迪维说。

Nedivi实验室的研究科学家Aygul Balcioglu领导了这项工作，他补充说，这项研究为神经科学家创造了一种方法，可以跟踪细胞在输入发生时接收到的所有单个输入。

“成千上万的信息输入涌入一个脑细胞。然后，脑细胞在将自己的反应传达给下一个脑细胞之前，会解释所有这些信息。”“让我们感到兴奋的是，我们现在可以可靠地描述这些输入的身份和特征，因为不同的输入和特征向给定的脑细胞传递不同的信息。我们的技术使我们能够描述在活体动物中，在单细胞的结构中，什么样的信息被整合了。在此之前，这是不可能的。”

'MAP'ping和建模

Nedivi和Balcioglu的团队选择了皮层的2/3层，因为这一层具有相对较高的灵活性或“可塑性”，即使在成人大脑中也是如此。然而，丘脑神经支配很少被描述。此外，内迪维说，即使生物模型以老鼠为研究对象，这些皮层层是在进化过程中变厚最多的，因此在人类皮层中起着特别重要的作用。

精确地将所有丘脑神经支配映射到整个神经元上，感知老鼠是如此令人生畏，从来没有人做到过。

开始时，团队使用了一个技术在Nedivi的实验室中建立的，可以在双光子显微镜下观察整个皮层神经元，同时在同一个细胞中使用三种不同的颜色标签，除了在这种情况下，他们使用一种颜色标记丘脑输入，接触被标记的皮层神经元。只要这些丘脑输入的颜色与皮层神经元上的兴奋性突触的颜色标记重叠，就可以揭示假定的丘脑输入在皮层神经元上的位置。

双光子显微镜可以深入观察活体组织，但其分辨率不足以确认重叠的标签确实是突触接触。为了确认丘脑输入的第一个迹象，研究小组求助于麻省理工学院化学工程副教授Kwanghun Chung的皮考尔研究所实验室发明的一种称为MAP的技术。MAP物理放大了实验室中的组织，有效地提高了标准显微镜的分辨率。Nedivi实验室的博士后Rebecca Gillani在Chung实验室博士后Taeyun Ku的帮助下，能够将新的标记和MAP结合起来，明确地解析、计数、绘制，甚至测量整个神经元上所有丘脑-皮质突触的大小。

分析显示，丘脑的输入相当小(通常也被认为是微弱的，可能是暂时的)，只占个体兴奋性突触的2%到10%视觉皮层神经元。丘脑突触数量的差异不仅仅是在细胞水平上而且还跨越不同的个体“树突”分支细胞在一个特定的分支上，突触的数量在零到近一半之间。

“大众智慧”

这些事实给Nedivi的团队提出了一个难题。如果丘脑的输入是微弱的、稀疏的、变化很大的，不仅在神经元之间，甚至在每个神经元的树突之间，那么它们在可靠的信息传输方面能有多好呢?

为了帮助解开这个谜题，内迪维求助于同事伊丹·塞格夫，他是耶路撒冷希伯来大学专门从事计算神经科学研究的教授。塞格夫和他的学生迈克尔·多伦利用内迪维实验室的详细解剖测量数据和艾伦大脑图谱中的生理信息，创建了一个生物物理学上可靠的皮层神经元模型。

Segev的模型显示，当细胞被喂食视觉信息(观察光栅经过眼睛的模拟信号)时，它们的电反应根据丘脑输入的变化而变化。一些细胞对视觉信息的不同方面(如对比度或形状)的反应比其他细胞更活跃，但没有一个细胞对整体图像有太多的反应。但当大约20个细胞聚集在一起时，整个视觉输入可以从它们的联合活动中解码——这就是所谓的“群体智慧”。

值得注意的是，Segev将细胞的性能与Nedivi实验室测量的弱、稀疏和变化的输入进行了比较，并将一组细胞的性能进行了比较，这些细胞都表现得像许多细胞中最好的单个细胞。达到大约5000个突触时，“最佳”细胞组提供了更多的信息，但在这个水平之后，小的、弱的和多样化的组实际上表现得更好。在以至少90%的准确率代表总视觉输入的竞赛中，弱小而多样化的小组达到了大约6700个突触的水平，而“最好”的细胞组需要7900多个突触。

作者写道:“因此，就精确读取视觉特征所需的突触数量而言，异质性降低了成本。”

Nedivi说，这项研究提出了关于丘脑输入如何进入皮层的诱人含义。她说，一是考虑到丘脑突触的尺寸较小，它们可能表现出显著的“可塑性”。另一个原因是，多样性带来的惊人好处可能是一种普遍特征，而不仅仅是第2/ 3层视觉输入的特例。然而，还需要进一步的研究来确定。

除了Nedivi, Balcioglu, Gillani, Ku, Chung, Segev和Doron，其他作者是kendall Burnell和Alev Erisir。