生命科學學院唐世明課題組揭示V1神經元樹突輸入的精細時空功能圖譜

2020年2月4日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表了北大生命科學學院、北大麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心唐世明課題組的研究論文：Spatiotemporal functional organization of excitatory synaptic inputs onto macaque V1 neurons（獼猴初級視覺皮層(V1)神經元樹突上興奮性輸入的時空功能組織）。該研究藉助於新型穀氨酸探針iGluSnFR，實現了對清醒獼猴大腦皮層神經元的雙光子樹突成像，並獲得了單個V1神經元樹突上興奮性輸入的精細時空功能圖譜。

神經元作為神經系統最基本的計算單元，從它們的樹突上接收信號的輸入。單個神經元可以通過樹突棘接收數以千計甚至數十萬的突觸前輸入，加上樹突的複雜幾何構型以及其多樣化的生理特性，使神經元具有對其輸入信號進行複雜計算的能力(Stuart and Spruston, 2015)。從上世紀末本世紀初開始，樹突整合機制的相關研究已經逐步開展，這些研究採用離體的膜片鉗記錄手段和胞內記錄，對單個神經元樹突上突觸輸入的整合方式及其生理基礎進行了有效且深入的探索(Cash and Yuste, 1999 , Polsky et al., 2004)。樹突上輸入信號的線性與非線性整合，以及輸入時間序列在樹突計算中承載的重要作用等結果的發現，不斷加深和拓展了他們對神經元樹突功能的認知(Larkum et al., 1999 , Branco et al., 2010)。然而，離體的單細胞或是腦片實驗終究無法模擬真實的神經網絡所承載的生理功能，如各類體覺感知以及高級認知。為了揭示樹突整合機制所承載的功能效應，研究者們同樣藉助於傳統卻高保真的電生理技術手段進行了一系列的在體研究，進一步解釋了樹突活動對皮層功能的影響，例如視覺系統中的朝向和運動方向選擇性(Smith et al., 2013 , Wilson et al., 2018)。即便如此，傳統的電生理手段仍極大地受限於其採樣量和空間解析度的大小，致使其在樹突相關研究中的實用性遠遠無法滿足該領域的訴求。

在本世紀第二個十年的開端，Konnerth課題組的一系列研究開啟了樹突成像的研究熱潮(Jia et al., 2010 , Chen et al., 2011 , Chen et al., 2013)。藉助具有高空間解析度的雙光子成像手段，他們實現了對完整大腦中樹突輸入長時程的、具有單突觸精度的功能測量。自此，一系列在體的樹突成像研究不斷地豐富了他們對樹突輸入的功能組織、計算機制及其生理意義的認知(Takahashi et al., 2012 , Wilson et al., 2016 , Iacaruso et al., 2017 , Scholl et al., 2017 , Varga et al., 2011)，其中令人興奮的發現包括但不局限於：樹突上的突觸輸入在功能上有空間聚類的特點、單神經元水平上輸入與輸出信號的關聯與差異、視覺認知中朝向與運動方向選擇性的樹突機制等等。儘管如此，相關的研究都是藉助鈣信號探針在麻醉狀態下的低等哺乳類動物中進行，該應用場景仍然不夠理想，概括說來其不足共有三點：其一，鈣信號樹突成像中反向傳播的全局動作電位(back-propagating spikes, BAPs)是極大的且無可避免的噪聲源，即便經過有效的後期處理也會在很大程度上影響輸入信號的純淨度；其二，考慮到麻醉對於神經元自發放電率的顯著影響以及對樹突膜特性的抑制效應(Stuart and Spruston, 2015)，當下的研究無法很好地模擬大腦真實的生理活性；其三，低等哺乳類動物在色覺、視覺敏感度和視覺認知方面的處理能力較為低下(Roelfsema and Treue, 2014)，很難幫助他們理解精細而複雜的高級視覺認知機制。基於上述研究現狀，本研究藉助於新型穀氨酸探針iGluSnFR實現了高質量的樹突成像，使得他們可以對清醒獼猴大腦皮層神經元樹突上的突觸輸入進行精確的功能測量，並繪製了單個V1神經元樹突上興奮性輸入的精細時空功能圖譜（圖1a）。他們發現，在單個V1神經元的底樹突上，朝向和顏色選擇性輸入具有功能上的整合和競爭，這為V1淺層神經元中朝向與顏色信息的聯合編碼機制提供了樹突水平上的直接證據（圖1b）。值得一提的是，單個神經元接收到的朝向選擇性輸入的比例越高，它們的一致性也就越強，這可以用於解釋V1神經元朝向選擇性強弱的由來(Wilson et al., 2016 , Takahashi etal., 2012)。

圖1.獼猴V1神經元樹突上的興奮性輸入。a，單個V1神經元樹突上興奮性輸入的空間分布；b，朝向和顏色選擇性輸入在單個V1神經元底樹突上的整合與競爭。

對單個視覺特徵而言，樹突上的輸入傾向於形成空間聚類，然而在多維特徵空間中情況卻並非如此。樹突上的每個輸入都有著特定的特徵偏好組合（包括朝向、空間頻率和感受野），這些組合在多維特徵空間中散亂分布。同一樹突分支上的一對輸入可能擁有相同的朝向偏好性和不同的感受野（圖2a）；相反，另一對輸入可能同時擁有不同的朝向偏好性和不同的感受野（圖2b），或者不同的朝向偏好性和相同的感受野。樹突的特徵整合能力依賴於其輸入組合的豐富性，上述這一特性正有助於最大化其潛在的特徵組合池（圖2）。正因如此，它為V1淺層神經元提供了樹突水平上多維特徵整合的潛在計算基礎。

圖2.樹突輸入在多維特徵空間中功能分散。a，一段樹突枝幹上的兩個輸入，有相同的朝向偏好和不同的感受野；b，另一對輸入，有不同的朝向偏好和不同的感受野。

他們還發現，相比於底樹突，頂樹突上的輸入具有更大的感受野和更長的反應延遲，進一步印證了頂樹突接收反饋信號的輸入，而底樹突則接收視覺信息流中的前饋輸入(Marques et al., 2018 , Zhang et al., 2018)。但是，在實驗中給出反饋和前饋輸入的直接證據仍然是一個挑戰，而他們的結果僅僅是為信號的來源提供了間接的證據。他們接下來的研究正是為了改變這一現狀，旨在通過結合新技術（例如光遺傳學或電生理學）和特定的行為任務（例如自上而下調節的選擇性注意任務）來獲得直接的證據。他們的功能性測量與實驗結果，結合首次在非人類靈長類動物中成功應用新型穀氨酸探針，為進一步理解視覺信息處理的樹突機制和計算原理提供了橋梁。

圖3.突觸輸入在頂樹突和底樹突上不同的功能組織。a，示例神經元的頂樹突與底樹突；b，頂樹突與底樹突上輸入的功能測量；c，頂樹突與底樹突上的輸入和具有相似的朝向偏好；d，頂樹突上的輸入具有更大的感受野；e，頂樹突上的輸入有更長的反應延遲。

北京大學生命科學學院、北大麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心唐世明研究員為該論文的通訊作者。北京大學生命科學學院2015級博士研究生居年盛為該論文的第一作者。唐世明課題組技術員李揚、劉芳、姜鴻飛，紐約州立大學Stephen L. Macknik和Susana Martinez-Conde教授也參與該研究的部分工作。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家傑出青年科學基金、國家重點基礎研究發展規劃項目和國家985重點建設項目的資助。