视觉信息如何从视网膜传递到中脑

柏林医学大学和马克斯普朗克生物智能研究所(目前正在建立中)的研究人员揭示了视网膜内感觉神经元与中脑结构上丘之间的精确连接。Neuropixels探针是相对较新的发展，代表了下一代电极。密集的记录点，Neuropixels探针用于记录神经细胞的活动，并促进了这些最近对神经元回路的了解。研究人员在NatureCommunications上撰文描述了哺乳动物和鸟类视觉系统共有的基本原理。

两个大脑结构对视觉刺激的处理至关重要：初级大脑皮层的视觉皮层和中脑结构的上丘。视觉和视觉信息的处理涉及高度复杂的过程。简而言之，视觉皮层负责一般的视觉感知，而进化上较老的中脑的结构负责视觉引导的反射行为。

视觉皮层内的视觉处理所涉及的机制和原理是众所周知的。由JensKremkow博士领导的一组研究人员开展的工作为我们在该领域的知识做出了贡献，并于2017年最终在Charité的神经科学研究中心(NWFZ)建立了EmmyNoether初级研究小组。该研究小组的主要目的是进一步提高我们对视觉系统中涉及的神经细胞的理解。许多悬而未决的问题仍然存在，包括中脑上丘处理视觉信息的方式的细节。

视网膜神经节细胞，眼睛视网膜内发现的感觉细胞，对外部视觉刺激做出反应，并将接收到的信息发送到大脑。直接信号通路确保视网膜神经细胞接收到的视觉信息也可以到达中脑。“到目前为止，在很大程度上仍然未知的是视网膜中的神经细胞和中脑中的神经细胞在功能层面上的联系方式。关于上丘神经元处理突触输入的方式的知识匮乏同样如此很明显，”研究负责人Kremkow博士说。“这些信息对于理解中脑处理所涉及的机制至关重要。”

直到现在，还无法测量活生物体中突触连接的视网膜和中脑神经元的活动。对于他们最近的研究，研究小组开发了一种方法，该方法基于使用称为Neuropixels探针的创新高密度电极获得的测量结果。准确地说，Neuropixels探针是微小的线性电极阵列，沿着狭窄的柄部具有大约一千个记录位点。这些设备包含384个电极，用于同时记录大脑中神经元的电活动，已成为神经科学领域的游戏规则改变者。

在Charité和马克斯普朗克生物智能研究所工作的研究人员现在已经使用这项新技术来确定小鼠(上丘)和鸟类(视顶盖)的相关中脑结构。两种大脑结构都有共同的进化起源，并在两组动物的视网膜输入信号的视觉处理中发挥重要作用。他们的工作使研究人员有了一个惊人的发现。

“通常，这种类型的电生理记录测量来自神经元细胞体体细胞的动作电位的电信号，”Kremkow博士解释说。“然而，在我们的记录中，我们注意到外观与正常动作电位不同的信号。我们继续调查这种现象的原因，发现中脑的输入信号是由在‘轴突乔木内传播的动作电位’引起的'(分支)的视网膜神经节细胞。我们的研究结果表明，新的电子阵列技术可用于记录电信号从轴突发出，神经细胞投射传递神经元信号。这是一个全新的发现。”在全球首创中，Kremkow博士的团队能够同时捕获视网膜中神经细胞的活动以及它们在中脑中突触连接的目标神经元的活动。

直到现在，眼睛和中脑之间的功能连接仍然是一个未知的数量。研究人员能够在单细胞水平上证明，中脑视网膜神经节细胞输入的空间组织构成了原始视网膜输入的非常精确的表示。

“中脑结构有效地提供了几乎一对一的视网膜结构副本，”Kremkow博士说。“对我们来说，另一个新发现是，中脑的神经元从视网膜神经节细胞中接收到非常强烈和特定的突触输入，但仅来自少数这些感觉神经元。这些神经通路能够在眼睛的神经元之间建立非常结构化和功能性的连接。视网膜和中脑的相应区域。”

除其他外，这一新见解将增强我们对被称为盲视的现象的理解，这种现象可以在因创伤或肿瘤导致视觉皮层持续受损的个体中观察到。由于无法有意识地感知，这些人保留了处理视觉信息的残余能力，这导致对似乎与中脑相关的刺激、轮廓、运动甚至颜色的直观感知。

为了测试最初在小鼠模型中观察到的原理是否也适用于其他脊椎动物——因此它们在自然界中是否更普遍——Dr.Kremkow和他的团队与马克斯普朗克生物智能研究所的一个团队一起工作，由DanieleVallentin博士领导的LiseMeitner研究小组专注于负责协调鸟类精确运动的神经元回路。

“使用相同类型的测量，我们能够证明在斑胸草雀中，连接视网膜和中脑的神经束的空间组织遵循类似的原则，”Vallentin博士说。“这一发现令人惊讶，因为鸟类的视力明显更高，而且鸟类和哺乳动物之间的进化距离相当大。”

研究人员的观察表明，光学顶盖和上丘中的视网膜神经节细胞显示出相似的空间组织和功能布线。他们的发现使研究人员得出结论，发现的原理对哺乳动物中脑的视觉处理至关重要。这些原则在本质上甚至可能是普遍的，适用于所有脊椎动物的大脑，包括人类的大脑。

关于研究人员的未来计划，Kremkow博士说：“现在我们了解了视网膜神经节细胞和上丘内神经元之间的功能性、马赛克样连接，我们将进一步探索视觉中处理感觉信号的方式。系统，特别是在中脑区域，以及它们如何促进视觉引导的反射行为。”该团队还想确定这种新方法是否可以用于其他结构，以及它是否可以用于测量大脑其他部位的轴突活动。如果这被证明是可能的，它将开辟大量探索大脑潜在机制的新机会。

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