揭开大脑的秘密：研究解决了视觉识别记忆中的“悖论”

一项新的研究澄清了过去关于视觉识别记忆(VRM)的相互矛盾的观察结果，表明在识别熟悉的刺激时，视觉诱发电位(vep)的增加表明大脑的快速识别过程，最终导致整体神经活动的减少。

既然确定我们观察到的东西是新的还是熟悉的，对于我们的注意力的优先级至关重要，神经科学家们花了很多年的时间来理解为什么我们的大脑擅长这项任务。

在他们的研究过程中，他们遇到了看似矛盾的发现。然而，最近的一项研究表明，这些令人困惑的结果实际上是同一枚硬币的两面，为长期寻求的“视觉识别记忆”(VRM)的理解铺平了道路。

VRM是一种快速识别场景中熟悉事物的能力，然后可以降低优先级，这样我们就可以专注于特定时刻可能更重要的新事物。

想象一下，一天晚上，你走进家里的办公室，去回复一封很晚才收到的紧急邮件。在那里你可以看到所有常见的家具和设备——还有一个窃贼。VRM有助于确保你的注意力集中在窃贼身上，而不是你的书架或台灯上。

论文中的数据显示，当刺激模式在大约80毫秒(亮橙色竖线)显示给老鼠时，神经活动(一种视觉诱发电位)会急剧而短暂地增加。值得注意的是，当刺激是熟悉的，活动在短暂的增加后显著减少(颜色较冷)。来源:Bear Lab/MIT Picower Institute

“然而，我们还没有清楚地了解这种基本的学习形式是如何在哺乳动物的大脑中实现的，”皮考尔教授马克·贝尔和这项新研究的作者在《神经科学杂志》上写道。

早在1991年，研究人员就发现，当动物看到熟悉的东西时，皮层或大脑外层的神经元会比看到新东西时更不活跃(该研究的两位作者后来成为贝尔在麻省理工学院的同事，皮考尔教授厄尔·k·米勒和多丽丝和唐·伯克教授鲍勃·德西蒙)。

但在2003年，贝尔的实验室碰巧观察到相反的情况:当一个熟悉的刺激闪现在老鼠面前时，老鼠大脑皮层初级视觉区域的神经活动实际上会急剧增加。这种活动的高峰被称为“视觉诱发电位”(VEP)，贝尔的实验室已经证明，VEP的增加是VRM的可靠指标。

贝尔说，由前贝尔实验室博士后达斯汀·海登和彼得·芬尼领导的这项新研究的发现，解释了在对熟悉刺激的神经反应总体下降的情况下，副总裁是如何增加的(正如米勒和德西蒙所看到的)。他们还解释了更多关于VRM的潜在机制——VEP的瞬间增加可能是激发了抑制，从而抑制了整体活动。

新的理解

贝尔的实验室通过向老鼠展示黑白条纹光栅来唤起vep，其中条纹周期性地改变其颜色，从而使图案看起来相反。在几天的时间里，当老鼠看到这种刺激模式时，vep增加，这是老鼠对这种模式变得熟悉和不感兴趣的可靠关联。20年来，贝尔的实验室一直在研究一种他们称之为“刺激选择性反应可塑性”(SRP)的现象，研究与VRM有关的突触是如何变化的。

早期的研究表明，SRP发生在视觉皮层第4层的兴奋性神经元中，并且可能特别需要NMDA受体的分子激活。

该实验室已经发现，敲除视觉皮层上的受体可以阻止vep的增加，从而阻止SRP的增加，但2019年的一项后续研究发现，仅仅在第4层敲除它们没有效果。因此，在这项新的研究中，他们决定一层一层地研究整个视觉皮层中的vep、SRP和VRM，以寻找它们是如何工作的。

他们发现，VRM的许多特征，包括vep，发生在皮层的所有层，但它似乎依赖于NMDA受体在第6层的兴奋性神经元群体，而不是第4层。作者说，这是一个有趣的发现，因为这些神经元与丘脑(传递感觉信息的大脑深层区域)和第4层的抑制神经元有很好的连接，第4层是他们第一次测量vep的地方。

他们还测量了每一层脑电波的变化，证实了之前的发现，即当刺激模式是新的时，主要的脑电波振荡处于较高的“伽马”频率，这取决于一种抑制性神经元，但随着它变得更熟悉，振荡转向较低的“贝塔”频率，这取决于不同的抑制性群体。

在漫长的平静中出现短暂的高潮

该团队对不同层次的神经电活动进行了严格而精确的电生理学记录，也揭示了解决vep与米勒和德西蒙等实验室测量结果之间矛盾的潜在方法。

“这篇论文揭示的是，每个人都是对的，”贝尔打趣道。

所以如何?新的数据显示，副总裁的神经电活动非常明显，但是短暂的尖峰，发生在更广泛的、整体的平静活动中。以前的研究只反映了整体的下降，因为他们没有时间分辨率来检测短暂的峰值。与此同时，贝尔斯登的团队已经见过副总裁多年，但并不一定关注周围的平静。

新的证据表明，发生的情况是，VEP是大脑快速识别熟悉的刺激，然后引发对相关活动的抑制的一种迹象。

贝尔说:“我认为令人兴奋的是，它突然揭示了机制，因为熟悉的编码并不是用兴奋性突触的抑制来解释的。”“相反，这似乎是由于神经元上的兴奋性突触的增强，然后在皮层中招募抑制作用。”

即使对VRM如何产生的理解有了进步，这项研究仍然留下了一些悬而未决的问题，包括所涉及的确切电路。例如，贝尔说，第6层回路神经元的确切作用尚不清楚。所以，探索还在继续。

参考文献:“视觉识别记忆在小鼠V1各层的电生理特征”，Dustin J. Hayden, Peter S.B. Finnie, Aurore Thomazeau, Alyssa Y. Li, Samuel F. Cooke和Mark F. Bear, 2023年9月15日，《神经科学》。DOI: 10.1523 / jneurosci.0090 - 23.2023

除了Hayden, Finnie和Bear，论文的其他作者还有Aurore Thomazeau, Alyssa Li和Samuel Cooke。

美国国立卫生研究院的国立眼科研究所、Picower学习与记忆研究所和JPB基金会资助了这项研究。