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当大脑处理视觉信息时 上丘的区域会通知大脑其他区域已发生事件

美国国立眼科研究所(NEI)的研究人员已经定义了小鼠在视觉事件上键入所需的关键时间窗口。当大脑处理视觉信息时,称为上丘的进化上保守的区域会通知大脑其他区域已发生事件。在特定的100毫秒窗口内抑制此大脑区域可抑制小鼠的事件感知。了解这些早期的视觉处理步骤可能会对影响知觉和视觉注意的疾病产生影响,例如精神分裂症和注意缺陷多动障碍(ADHD)。这项研究在线发表在《神经科学杂志》上。NEI是国立卫生研究院的一部分。

理查德·克拉兹利斯(Richard Krauzlis)博士说:“视觉最重要的方面之一就是快速发现重要事件,例如发现威胁或获得奖励的机会。我们的结果表明,这取决于中脑的视觉处理,而不仅是视觉皮层。” NEI眼动与视觉选择部分负责人,该研究的高级作者。

视觉感知-人们知道自己已经看过某物的能力-取决于眼睛和大脑的共同协作。视网膜中产生的信号通过视网膜神经节细胞神经纤维到达大脑。在小鼠中,85%的视网膜神经节细胞与上丘相连。上丘提供了这些动物的大部分早期视觉处理。在灵长类动物中,高度复杂的视觉皮层承担了更多的视觉处理负荷,但仍有10%的视网膜神经节细胞与上丘相连,后者负责基本但必要的知觉任务。

这些任务之一是检测发生了视觉事件。上丘吸收来自视网膜和皮质的信息,并且当有足够的证据表明视野中发生了事件时,上丘神经元会发射光。进行感知决策的经典实验包括让一个人(如人或猴子)观察垂直光栅(一系列模糊的垂直黑白线)的图像,并确定光栅是否或何时旋转。2018年,Krauzlis和Wang将这些经典实验应用于小鼠,为研究开辟了新途径。

“尽管我们必须谨慎地将小鼠的数据转换为人类的数据,但由于视觉系统的差异,小鼠具有与人类相同的事件检测和视觉注意的许多基本机制。小鼠可用的遗传工具使我们能够研究如何特定的基因和神经元参与控制知觉。”该研究的第一作者Lupeng Wang博士说。

在这项研究中,Wang及其同事使用了一种称为光遗传学的技术来随着时间的流逝严格控制上丘的活动。他们使用转基因小鼠,以便可以使用光束打开或关闭上丘神经元。该开-关开关可以精确计时,使研究人员能够准确确定何时需要上丘神经元来检测视觉事件。研究人员训练他们的小鼠在看到视觉事件(垂直光栅旋转)时舔嘴,并避免舔嘴。

抑制上丘胶质细胞,使小鼠报告自己见过事件的可能性降低,而一旦这样做,它们的决定就需要更长的时间。视觉事件发生后,抑制必须在100毫秒(十分之一秒)的间隔内发生。如果抑制时间超出了100毫秒的时间范围,则鼠标的决定大部分不会受到影响。这种抑制作用是侧面特异性的:因为视网膜细胞越过并连接到头部另一侧的上丘(左眼连接到右上丘,反之亦然),从而抑制了上丘的右边左侧对刺激的情绪低落,但右侧没有。

Wang说:“能够以如此精确的时间暂时阻止神经信号的传输,是在小鼠中使用光遗传学的最大优势之一,并且可以准确地揭示关键信号何时通过电路。”

有趣的是,研究人员发现,当老鼠被迫无视其视野中其他地方发生的事情时,具有抑制上丘的缺陷更为明显。本质上,如果没有上丘的活动,小鼠就无法忽略分散注意力的视觉事件。这种忽略视觉事件的能力(称为视觉注意力)对于在现实世界中导航复杂的视觉环境至关重要。

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