令人惊讶：大脑视觉皮层的神经元会随着时间的推移而“漂移”

新的研究表明，视觉皮层中的神经元——大脑中处理视觉刺激的部分——会随着时间的推移改变它们对相同刺激的反应。尽管其他研究记录了大脑中与气味和空间记忆相关的部分神经元的“表征漂移”，但这一结果令人惊讶，因为初级视觉皮层的神经活动被认为是相对稳定的。

　　

尽管其他的研究已经证明了大脑中与气味和空间记忆相关的神经元的“表征漂移”，但这个结果令人惊讶，因为初级视觉皮层的神经活动被认为是相对稳定的。

这项研究发表在8月27日的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上，由艺术与科学物理学教授拉尔夫·韦塞尔(Ralf Wessel)实验室的博士研究生季霞领导。夏现为哥伦比亚大学博士后。

“我们知道大脑是一种灵活的结构，因为我们预计，当我们学习或获得经验时，大脑中的神经活动会随着时间的推移而变化——即使是成年人，”夏说。“有些出乎意料的是，即使没有学习，或没有经验变化，大脑不同区域的神经活动仍然会随着时间的推移而变化。”

韦塞尔小组的研究人员探索了大脑中感官信息的处理过程。他们与合作者合作，使用新颖的数据分析来解决大脑视觉皮层神经回路的动力学和计算问题。

来自加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)神经科学研究所(Neuroscience Research Institute)的共同高级作者迈克尔·j·戈尔德(Michael J. Goard)向老鼠循环播放一个单一的电影短片。(他们借用了奥森·威尔斯(Orson Welles)经典黑白电影的开场部分，这是当今小鼠视觉研究的必备条件。)当一只老鼠观看这部电影时，研究人员利用双光子钙成像技术同时记录了初级视觉皮层中数百个神经元的活动。

科学家们每周重复观看同一段30秒的电影片段，长达7周，记录同一只老鼠的相同神经元的活动。

然后，华盛顿大学的物理学家分析了观看电影的老鼠的数据，使用新的计算方法来分析神经元数量活动随时间的变化。

研究人员发现，单神经元对自然电影的反应在几周内都不稳定。换句话说，当老鼠看了一周的电影和另一周的电影后，单个神经元对视觉刺激的反应是不一样的——屏幕上在同一时刻发生了什么。夏教授说，这项研究发现与他们的合作者在同一期刊上发表的一项研究一致。

然而,在这个研究中,华盛顿大学物理学家能够开发一种解码跨周对视觉刺激的反应,如果他们考虑人口活动的所有神经元跟踪给定的老鼠,他们只是不能单独使用单个神经元。

虽然夏用人口活动绘制出了一个一致的电影片段的表征，但科学家们仍然不知道初级视觉皮层的表征是否是大脑下游区域真正读出的。

在过去的10年里，神经科学家越来越多地记录了类似的例子，表明大脑不同区域的神经活动存在“代表性漂移”——首批研究报告了海马体和后顶叶皮层神经元活动的漂移。

但即使这些研究已经出版，许多科学家还没有准备好处理大脑其他区域漂移的可能性，夏说。

“人们仍然不认为这种漂移来自初级视觉皮层，”她说。“人们普遍认为，这些初级感觉皮层应该是非常可靠的，因为它们应该忠实地编码来自感官刺激的信息。”

Journal Reference:

1. Ji Xia, Tyler D. Marks, Michael J. Goard, Ralf Wessel. Stable representation of a naturalistic movie emerges from episodic activity with gain variability. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-25437-2