簡介
頂刊腦訊是嗶嗶腦開設的前沿學術動態專欄，每周一發布三大頂級期刊《Cell》、《Nature》、《Science》上過去一周在線發布的有關腦科學領域的學術前沿研究。
第46周導讀
1、Science | 丘腦是編碼記憶的關鍵腦區的新證據
2、Cell | 視覺皮層GABA能神經元的重新分類
3、Cell | 神經編碼的抽象幾何學機制
4、Nature | 長時程記憶的基因表達機制
5、Nature | 初級視皮層方向選擇性的空間連接特徵
Science | 丘腦是編碼記憶的關鍵腦區的新證據
大腦皮層收集感覺信息進行編碼。為了感知環境並與其互動，我們必須在大腦中結合已存儲的經驗和個人當前目標來解碼這些感覺信號。來自德國的科學家團隊確定了丘腦是編碼過去經驗的關鍵腦區。感覺皮層是記憶的重要基礎，儘管其與丘腦有很強的聯繫，但丘腦在記憶中的直接作用還不清楚。本文研究人員藉助在體雙光子鈣成像、光遺傳學、病毒示蹤技術、全細胞膜片鉗記錄和計算模型等手段，發現丘腦部分高級區域（High-order Thalamus）是聯合學習所必須的，不僅傳輸與習得行為密切相關的大腦信號，還受制於局部突觸前抑制。
該研究提供了高級丘腦在自上而下的經驗依賴性記憶中起關鍵作用的直接證據。本文通訊作者Letzkus教授接受採訪時，表示：」這種自上而下的信號在自閉症或精神分裂症等許多腦部疾病中都受到幹擾。我們的希望是，目前的結果能讓人們深刻地理解這些機制為未來的應用提供理論指導『』。
參考資料：
M. Belén Pardi, et al, A thalamocortical top-down circuit for associative memory, Science, 2020. 370(6518): p. 844-848. DOI: 10.1126/science.abc2399
原文連結：
https://science.sciencemag.org/content/370/6518/844
Cell | 視覺皮層GABA能神經元的重新分類
哺乳動物的大腦包含數百萬，甚至數十億的神經元，如人類大腦約有100億個神經元。就像世界上沒有完全相同的兩片樹葉一樣，也沒有兩個神經元是完全相同的，因此神經元通常根據結構、生理或遺傳屬性的不同分為不同的亞型。
為了更好的優化神經元分類的定義，美國艾倫腦科學研究所的Gaba J. Murphy課題組採用多模式綜合分析的方法，表徵了小鼠視覺皮層4200多個GABA能中間神經元的轉錄組和內在生理特性，並重構了約517個局部形態。作者發現大多數轉錄組型（t型）通常分布在視覺皮層的特殊位置，且表現出一致的電生理或形態學特性，同時t型神經元之間的特徵屬性具有離散型和連續變化性。通過多模式綜合分析，作者定義了28種met型神經元，也具有一致的形態學、電生理學和轉錄組學特性，具有強大的相互可預測性。研究人員將特定皮層位置的軸突神經支配模式作為區分不同met型神經元類型的標誌，代表了皮層GABA能神經元類型的統一定義。
總之，該研究有助於定於神經元細胞的類型和特徵，並能區分它們之間的差異，為揭示小鼠視覺皮層的結構和電生理組織模式提供新見解。
參考資料：
Gouwens, N.W., et al., Integrated Morphoelectric and Transcriptomic Classification of Cortical GABAergic Cells. Cell, 2020. 183(4): p. 935-953.e19. DOI: 10.1016/j.cell.2020.09.057
原文連結：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31254-X
Cell | 神經編碼的抽象幾何學機制
當我們遇到突發情況時，及時做出最正確的選擇是認知靈活性能力的一個標誌性例子。在該過程中，大腦通常採用降維處理方法來消除環境中所有可能需要的組合，進而以抽象的形式來泛化各種突發狀況。事實上，這種降維度處理的方法廣泛應用在強化學習和決策中，但大腦如何表示這些變量仍然不清楚。
美國哥倫比亞大學的C. Daniel Salzman和Stefano Fusi等研究人員訓練猴子進行不同的序列反轉學習任務並觀察其大腦神經活動。結果表明，猴子在隱性或顯性變量描述任務中的神經活動具有不同表現，使用神經編碼器的泛化性能定義了抽象過程，且呈現不同的幾何特性。前額葉皮層、海馬和模擬的神經網絡中的神經元集群活動反映了抽象幾何圖形中的多個變量特徵，但仍允許線性分類器解碼其他變量的神經信號。此外，這些幾何形狀相對於任務事件和性能也發生了重大變化。這些發現闡明了大腦和人工系統如何以抽象的形式表示環境變量，同時保留了高破碎維度所賦予的優勢。
參考資料：
Bernardi, S., et al., The Geometry of Abstraction in the Hippocampus and Prefrontal Cortex. Cell, 2020. 183(4): p. 954-967 e21. DOI: 10.1016/j.cell.2020.09.031
原文連結：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31228-9
Nature | 長時程記憶的基因表達機制
『』冰凍三尺非一日之寒『』。同樣的，長時程記憶並非學習後立即形成，而是隨著時間逐步得到鞏固。之前的研究已經確定了分子和細胞過程對學習和記憶的重要作用，如基因表達，cAMP信號傳導，突觸可塑性，並確定了RNA合成和蛋白質翻譯在記憶整合中的核心作用。但長時程記憶，尤其是終生記憶的分子機制還不清楚。
史丹福大學分子與細胞生理學系的Thomas C. Sudhof研究團隊採用長時程情景恐懼記憶實驗範式來研究前額葉皮層長時程記憶存儲的單細胞基因表達模式。作者發現小鼠在恐懼學習幾周後，前額葉皮層的多種神經元仍存在持續的活動特異性轉錄改變，並鑑定出與膜融合有關的基因，這些基因在維持長時程記憶中起重要作用。此外，星形膠質細胞和小膠質細胞也呈現出與長時程記憶相關的持久性基因表達特徵，這表明他們也參與了記憶神經環路。這些有關長時程記憶有關的基因表達的發現對現有的腦分類圖譜增加了基於基因表達的活動依賴性的神經元狀態有重要意義，並闡明了長時程記憶存儲的基因表達機制。
參考資料：
Chen, M.B., et al., Persistent transcriptional programmes are associated with remote memory. Nature, 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2905-5
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2905-5
Nature | 初級視皮層方向選擇性的空間連接特徵
神經元反應的選擇性來自於興奮性和抑制性突觸聯繫的組織結構。通常認為初級視皮層的第2/3層神經元對刺激方向或方位的選擇性來源於皮層內輸入引起的，但神經元的興奮性輸入可能具有不同刺激偏好，抑制性輸入可能是混雜的或非選擇性的。然而，目前沒有機制可以解釋方向選擇性。
英國倫敦大學學院的Matteo Carandini研究團隊藉助雙光子鈣成像和靶向單細胞電穿孔等技術手段證明，投射到初級視皮層第2/3層椎體神經元的興奮性或抑制性皮層內輸入遵循精確的空間投射模式。通過使用狂犬病毒示蹤技術和功能性成像技術發現，突觸前興奮性神經元橫跨第2/3層和第4層神經元，並與突觸後神經元的最優方位同軸分布。而突觸前抑制性神經元則駐留在第2/3層且靠近突觸後神經元，並先於最優方位。這些結果表明突觸後神經元的方向選擇性與突觸前神經元的選擇性無關，但與興奮性和抑制性突觸前神經元之間的空間位移有關。類似的不對稱性連接也與視網膜神經元方向選擇性有關。這些結果為更好的理解初級視皮層神經元方向選擇性和方位選擇性的來源，也為感覺信息處理的神經環路機制提供可能的支持。
參考資料：
Rossi, L.F., K.D. Harris, and M. Carandini, Spatial connectivity matches direction selectivity in visual cortex. Nature, 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2894-4
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2894-4