視覺是一種很特別的感官刺激,因為視覺刺激的形式是相當複雜的,他除了代表某個特定波長的光線,還有對於物體位置與形狀的偵測等等,需要很多層級的運算才能達成對視覺刺激的解讀.也因此,對於視覺系統當中的各種腦區之間的層級關係,就是我們格外感興趣的.要深入瞭解腦區的層級,我們首先要知道,視覺訊號由視網膜接收後會先傳到視丘(thalamus)進行初步的處理,在傳到視覺皮質(visual cortex),而 visual cortex 又可以分成好幾個小的腦區,其中初級視覺皮質 (primary visual cortex, V1) 是 visual cortex 中的第一站,經過這一站以後再傳到 visual cortex 中的其他腦區. 在此前的研究中 Allen Brain Observatory 機構,已經透過觀察神經型態的方式,區別出神經系統經過的幾個主要腦區之間的層級關係(圖一).列舉出的腦區包括 thalamus 的 LGN, LP 以及 visual cortex 的 V1, LM, RL, AL, PM, AM.圖中由低至高代表著腦區的層級.

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圖一:透過神經型態研究得出的層級關係圖.

但光有神經型態的觀察還不夠, Allen Brain Observatory 還想用大腦活性的資料來進一步證實視覺腦區之間的層級關係.他們使用探針的方式紀錄大腦單一神經訊號的 firing 情況(圖二).

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圖二:使用探針的方式紀錄活的小鼠大腦的神經活動.

記錄了視覺系統中不同腦區的神經活動後,他們透過兩兩腦區之間神經活化的時間之間的關聯性,來決定兩個腦區之間是否真的在功能上互相影響.也就是說如果一個 source area 有了一個刺激活動,而在極短的間隔後另一個 target area 也出現了刺激活動,紀錄這種配對就可以說明兩兩腦區之間的神經傳輸的方向性.最後可以根據神經配對的比例作出 visual cortex 中的腦區的層級關係圖 (圖三 右),再拿來跟神經型態所做出的層級關係圖 (圖三 左)作比較,會發現兩者所得到的腦區層級關係是相當吻合的.

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圖三:神經型態 vs. 神經活動得出的層級關係圖比較

在後續的內容當中,他們設計了一個行為實驗(圖四),讓老鼠觀看一個播放著圖片的螢幕.螢幕會間斷地播放相同的圖片 (reference figure) 然後會突然插入一個不一樣的圖片 (change figure) ,小鼠要做的就是學習在圖片改變時去舔面前的裝置,裝置就會給予 reward.進而學習到要對圖片的改變有所反應.

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圖四:小鼠行為實驗示意圖.

我們一樣觀察在進行行為實驗時的視覺系統的神經活性(圖五).圖中 A 代表 reference figure 、 B 代表 change figure.可以觀察到對於層級低的腦區(LGN)來說,A 跟 B 圖片並沒有造成太大的神經活動差異.而對於層級高的腦區 (AM) 來說,則可以很明顯區別出對於 A 圖與 B 圖的反應.我們可以得到結論,像這種跟決策、區別有關的高層級功能,應該是發生在視覺系統中高層級的腦區當中.

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圖五:進行行為實驗時小鼠大腦的神經活性.

reference:

Siegle, Joshua H., et al. "Survey of spiking in the mouse visual system reveals functional hierarchy." Nature 592.7852 (2021): 86-92.

撰稿人:周品汝