Science 子刊：张思宇/徐敏联合团队揭示等级信息流招募的皮层局部微环路

本文来源于“布林凯斯”，本平台获授权发布

视觉信息处理体系是以等级网络的形式来架构的，参与其中的各节点的等级决定了信息流的方向。低级脑区提呈信息传递至高级脑区，而高级脑区则整合低级脑区的信息后根据当前行为目标对视觉信息处理进行调控。

前期在灵长类和小鼠中的工作根据不同脑区之间的投射的轴突分布或皮层的不同种类中间神经元的密度给皮层和丘脑区域进行了等级排序。

同时，大规模电极记录也明确了灵长类和小鼠中各视觉相关脑区在视觉信息处理上的特点，如等级越高神经元感受野越大，处理视觉信息的延时也更长。但视觉网络或更为广义的神经网络中携带等级信息的远距离投射如何与其支配区域的局部微环路发生相互作用而发挥其功能，即等级信息流的特征，仍未有系统性的研究。

在皮层中，主要种类的抑制性中间神经元（PV+，SST+和VIP+神经元）与兴奋性神经元形成保守的微环路，从而动态且快速的调控局部区域兴奋性神经元的输出（图1）。因此，理解等级信息流如何与皮层区域的局部微环路相互作用，可以预测携带等级信息的远距离输入的功能，从而深化我们对神经等级网络的理解。

图1.抑制性中间神经元与兴奋性神经元的微环路

（Kim Y.,et al.,Cell 2017）

2021年5月14日，上海交通大学医学院张思宇研究员和中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐敏研究员团队合作在Science Advances杂志发表了题为 Hierarchy in sensory processing reflected by innervation balance on cortical interneurons 的研究论文。

该研究对视觉选择性注意各相关皮层区域不同种类神经元构成的子网络的精细解剖学连接图谱以及细胞水平的功能学连接图谱进行了系统性的研究，并结合机器学习的算法抽提出了在视觉信息处理的网络中携带等级信息的远距离输入与局部微环路中各类神经元相互作用的规律。

通过计算机建模分析，预测了视觉选择性注意网络中各脑区的等级，明确了网络中信息的流向及等级信息流在各类神经元上的强度和动态特性（图2）。

 图2. 视觉选择性注意网络中信息的流向及等级信息流

通过使用假性狂犬病毒介导的逆向跨单突触示踪技术，该工作从解剖学的角度系统性地研究了视觉选择性注意相关各皮层区域不同种类抑制性神经元的输入。

全脑解剖学连接图谱显示皮层中同类神经元接受的各不同来源的输入强度差异可达10的4次方倍，凸显了对解剖学数据的精确定量分析在理解神经网络组织结构中的重要性（图3，图4）。

 图3&4. 全脑解剖学连接图谱

根据解剖学连接组研究的结果，该工作进一步解析了皮层丘脑网络中主要的皮层-皮层和丘脑-皮层输入在细胞层面的功能学连接组，阐明了具有不同等级方向性的输入如何在时间维度上招募不同种类的神经元，从而实现对局部微环路的精确调控以及兴奋-抑制的动态平衡的机制（图5，图6）。

 图5. 支持向量机经机器学习后判断的皮层-皮层和丘脑-皮层远距离投射的等级

 图6. 丘脑皮层网络中远距离投射的动态特性

在构建了皮层不同种类神经元的全脑解剖学连接图谱和细胞层面的功能学连接图谱的基础上，该工作进一步使用机器学习的分类方法——支持向量机分类器（SVM classifier）来抽提携带等级信息的皮层-皮层和丘脑-皮层输入与局部微环路中各类神经元相互作用的规律。

支持向量机分类器学习了等级已知的皮层-皮层输入的数据后，发现自下而上的输入更倾向于激活PV+神经元，而自上而下的输入更倾向于激活VIP+神经元。经学习后的支持向量机分类器可用于预测其他方向未知的远距离输入的等级，通过计算机建模分析该工作进一步构建选择性注意相关各脑区的等级网络，为研究网络中各节点在整体动物行为层面的功能学连接图谱奠定了基础。

该研究由上海交通大学张思宇研究员与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐敏研究员团队合作完成。助理研究员马国芬和博士生刘燕梅为该研究的共同第一作者。研究受到了中科院深圳先进技术研究院徐富强研究员、上海交通大学徐天乐教授及中国科学院脑智卓越中心李澄宇研究员的大力支持（图6）。

助理研究员：马国芬

博士生：刘燕梅

专家点评

徐富强 （中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员）

等级网络架构是处理视觉信息的基本结构特征之一，其各个节点的信息流向由其所处等级决定。由于网络中各节点的兴奋性神经元信息输出受局部抑制性中间神经元实时动态调控，解析等级信息流与局部微环路的相互作用可极大地深化我们对视觉信息处理与传送机制的理解。

张思宇/徐敏团队发表在Science Advances的论文，通过整合重组狂犬病毒介导的逆向跨单级突触示踪体系和特定类型中间神经元Cre-品系转基因小鼠，对视觉选择性注意各相关皮层中间神经元（PV，VIP和SST）从结构和功能连接水平分别进行了系统性研究。

从解剖学的角度全面地绘制了视觉选择性注意相关各皮层区域上述三种主要抑制性神经元的全脑输入网络，并精确定量分析了它们的特征；通过结合解剖学数据、机器学习（支持向量机分类器，SVM classifier）和计算机建模，揭示了携带等级信息的远距离输入如何与局部中间神经元相互作用，发现了视觉信息处理在自下而上的输入和自上而下的输入更倾向于激活不同类型神经元。

这些系统性的结构框架信息和功能网络构成特性不仅对阐明视觉信息处理与传递机理，可能为进一步研究其他模态等级网络中各节点在动物行为相关的结构与功能研究奠定重要的基础。