一項新研究將丘腦區域確定為編碼新皮層過去經驗的關鍵信號源。大腦會對我們的感官系統收集到的信息進行編碼。然而，為了感知我們的環境並與之進行建設性的互動，需要在我們以往的經驗和當前目標的背景下解釋這些感官信號。馬克斯普朗克腦研究所的研究小組組長Johannes Letzkus博士領導的一個科學家小組已經確定了這種依賴經驗（experience-dependent）自上而下的關鍵信息源。該項研究發表在最新一期的《科學》雜誌上。
新皮層是人腦中最大的區域。在哺乳動物進化過程中，新皮層的擴展和分化可以介導許多能夠區分人類與近親的能力。此外，該區域的功能障礙在許多精神疾病中也起著核心作用。大腦新皮層的所有高級認知功能都是通過匯集以下兩種不同的信息流來實現的：一種是來自周圍環境信號的「自下而上」的信息流，另一種是傳輸內部生成信息的「自上而下」的信息流，這些信息流編碼了我們以前的經驗和當前的目標。
「幾十年的研究已經闡明了人們處理環境感官輸入的方式。然而，我們對內部生成信息的了解還處於初級階段。」Letzkus說，「這是我們在理解更高級的大腦功能（如感官）方面最大的差距之一。這促使了世界各地的團隊尋找這些自上而下信號的來源。我們和其他許多科學家先前的研究表明，新皮層的最上層可能是接收攜帶自頂向下信息的輸入的關鍵部位。我們以此為出發點確定了丘腦中的一個區域——一個深埋在前腦內的大腦區域——是這些內部信息的主要候選來源。」
受這些觀察結果的啟發，該研究的第一作者、Letzkus實驗室的博士後研究員M.BelénPardi博士設計了一種創新的方法，這種方法能夠讓她在學習範式前後測量小鼠新皮層中單個丘腦突觸的反應。
「結果非常清楚，」Pardi回憶道，「儘管無關聯的中性刺激是由該途徑中的短暫反應編碼的，但學習會大大增強其活動性，並使信號隨著時間的推移變得更快，更持久。」
這表明新皮質中的丘腦突觸編碼了動物的先前經歷。我們確實堅信，當我們將獲得的記憶力與丘腦活動度的變化進行比較時，情況就是如此：這兩者顯示出了了很強的正相關」。
但是這種機制對這些自上而下的記憶相關信號有選擇性嗎？感官刺激可以是相關的，因為我們已經學會與它們聯繫在一起，但這也僅僅是因為它們的物理特性。例如，聲音越大，就越容易引起人和動物的注意。不過，這是一個低級功能，與以往的經驗幾乎沒有關係。
Pardi說：「有趣的是，我們發現這種自下而上的相關性編碼機制非常不同，實際上是相反的。」
考慮到它們的核心重要性，科學家們推測，這些信號在大腦皮層的接收方式必須受到嚴格的調控。Pardi和他的同事在進一步的實驗中解決了這個問題，並與柏林理工大學的Henning Sprekeler博士和他的團隊合作進行了計算建模。結果確實確定了一種先前未知的機制，它可以很好地調節這條通路上的信息，從而將新皮層最頂層的神經元的特殊類型識別為這些自上而下的信號的動態看門人。
「這些結果揭示，丘腦對感覺新皮質的輸入是過去與感覺刺激相關的經驗的重要信息來源。這種自上而下的信號在一些大腦疾病如孤獨症和精神分裂症中受到幹擾，我們希望目前的研究結果也能使我們更深入地了解這些嚴重疾病背後的不適應變化，」Letzkus總結道。
M. Belén Pardi, Johanna Vogenstahl, Tamas Dalmay, Teresa Spanò, De-Lin Pu, Laura B. Naumann, Friedrich Kretschmer, Henning Sprekeler, Johannes J. Letzkus. A thalamocortical top-down circuit for associative memory. Science, 2020; 370 (6518): 844 DOI: 10.1126/science.abc2399