研究揭示去同步化腦狀態下快速視覺處理級聯放大機制

　　12月17日，《美國科學院院報》(PNAS)在線發表了中科院上海生命科學研究院神經科學研究所姚海組的最新研究論文《去同步化腦狀態下快速視覺信息處理的級聯放大機制》。這項工作首次揭示了腦狀態依賴的快速信息處理的神經機制。

　　對外界環境做出快速反應是維系動物生存的一項至關重要的能力，尤其是當動物遇到它的捕食者，需要快速逃離的時侯。人和動物在機警狀態下的反應速度加快。動物的警覺程度和腦內群體神經元的活動狀態密切相關。當動物高度清醒或機警時，群體神經元呈現出低幅度高頻率的活動模式，腦處于去同步化狀態;而當動物安靜或奢睡時, 群體神經元呈現出高幅度低頻率的活動模式，腦處于同步化狀態。

　　在這項工作中，姚海珊組的王旭東、陳成和張丁紅研究了V1神經元的反應起始時間與腦活動狀態的關系。他們發現，V1神經元的反應起始時間在去同步化狀態下比同步化狀態更短。為了深入研究反應起始時間提前的機制，他們使用在體膜片鉗技術測量了同一個V1神經元在兩種腦狀態下的靜息電導和視覺誘發電導，發現去同步化腦狀態下的電導更高。通過建立一個單神經元模型，他們發現單個V1神經元的電導增加不足以解釋實驗中測得的反應起始時間的提前程度。于是，他們運用多通道線性硅電極同時記錄了LGN和V1神經元的反應。研究發現，LGN神經元的反應起始時間也是在去同步化狀態下更短，但其提前程度比V1神經元要小。在V1，反應起始時間的提前程度從layer4到layer2/3到layer5逐級增加。由此可見，反應起始時間的提前程度沿著視覺信息傳遞的方向逐級積累，這可能是去同步化腦狀態引起大范圍膜電導增加導致的。

　　由于初級感覺皮層位于感覺運動通路的起始階段，該項研究揭示的級聯放大機制為理解動物在機警狀態時做出快速反應的神經生物學機制奠定了基礎。

　　該課題由王旭東、陳成及張丁紅在姚海珊研究員的指導下完成。這一工作得到了科技部“973”項目和神經科學國家重點實驗室資助。

A. LFP(場電位)所示的腦活動狀態的改變。插圖：從去同步化(紅色)和同步化(藍色)腦狀態下提取并放大的、長度為4s的LFP曲線。

B.反應時間提前的程度在V1各層逐級增大。*P < 0.05, Wilcoxon 秩和檢驗。

C.同時記錄的一對LGN和V1神經元在去同步化(紅色)和同步化(藍色)狀態下感受野空間方差的時程曲線。垂直的虛線指示感受野的反應起始時間。

D.LGN(藍綠色)和V1(洋紅色)神經元反應起始時間提前的分布曲線。箭頭指示平均的反應起始時間提前程度(LGN,10.4 ms; V1，14.4 ms)。**P < 0.01, Wilcoxon 秩和檢驗。

E. 模式圖：去同步化腦狀態下大范圍的電導升高使得反應時間的提前程度在信息傳遞的各階段逐級累積放大。