當(dāng)液滴撞擊液體池時(shí)，會形成同心的層疊漣漪。研究這些漣漪可以獲得有關(guān)液體及其分子特性的信息，例如它們的特性，質(zhì)量，密度或速度。在自然界中寫作，Chettih和Harvey 1采取了類似的方法來揭示小鼠大腦中初級視覺皮層的神經(jīng)回路的功能特性：它們引發(fā)單個(gè)神經(jīng)元活動的小幅增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)活動的波動。一群神經(jīng)元。

作者使用了一種他們稱之為影響映射的方法來直接測量單個(gè)神經(jīng)元對鄰近神經(jīng)元活動的影響。他們對小鼠進(jìn)行基因改造，使光敏離子通道在神經(jīng)元中表達(dá)，然后用光來控制神經(jīng)活動(稱為光遺傳學(xué)的方法)。還使小鼠表達(dá)鈣濃度的熒光指示劑，其作為神經(jīng)元電活動的記者(稱為鈣成像的技術(shù))。光遺傳學(xué)刺激引發(fā)靶神經(jīng)元中的幾個(gè)活動峰值(動作電位)。然后，Chettih和Harvey使用鈣成像來測量單個(gè)操縱神經(jīng)元對鄰近神經(jīng)元的尖峰活動的影響。

單個(gè)神經(jīng)元中的一些額外動作電位只是一個(gè)復(fù)雜的，交織在一起的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)下降。但是，當(dāng)作者考慮目標(biāo)和相鄰神經(jīng)元之間的距離，以及它們的功能特征(即它們是否以相似或不同的方式對視覺刺激作出反應(yīng))時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)有意義的畫面。他們的功能連接模型讓我們一瞥在初級視覺皮層中進(jìn)行的基本計(jì)算。

在過去的15年中，對活體動物中單個(gè)神經(jīng)元的研究提高了我們對個(gè)體神經(jīng)元如何連接的認(rèn)識，并且有助于其網(wǎng)絡(luò)的整體功能2 - 7。這些研究中的許多都集中在皮質(zhì)的神經(jīng)回路上，其中稱為突觸的神經(jīng)元之間的連接很豐富但通常很弱5。皮層突觸的這些特性提示了一種網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，其中單個(gè)神經(jīng)元的尖峰活動意味著很少。然而，實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明刺激單個(gè)神經(jīng)元會產(chǎn)生行為后果。

例如，對運(yùn)動皮層中單個(gè)神經(jīng)元的電刺激可以引起小鼠6的胡須運(yùn)動。在大鼠中，對桶狀皮質(zhì)中的個(gè)體神經(jīng)元的類似刺激(其涉及處理感覺信息)可以觸發(fā)與觸摸感知相關(guān)聯(lián)的舔行為7。奇怪的是，皮層網(wǎng)絡(luò)似乎是對一些敏感的激活，但不是全部，刺激神經(jīng)元6，7。Chettih和Harvey為這一觀察提供了解釋。

影響映射方法使得可以分析神經(jīng)元比使用電生理學(xué)研究的更大的人口4，8。更重要的是，它使作者根據(jù)操縱神經(jīng)元的響應(yīng)和那些它影響神經(jīng)元之間的相似程度進(jìn)行分類的神經(jīng)元的影響2，3。值得注意的是，光遺傳學(xué)對神經(jīng)元的微妙刺激不太可能引起強(qiáng)烈的廣義反應(yīng)并改變大腦的狀態(tài)9。與其他方法相比，這種方法可能更接近于皮層電路的基本計(jì)算。

Chettih和Harvey主要觀察到目標(biāo)神經(jīng)元周圍神經(jīng)活動的廣泛抑制(圖1)。他們還發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元對周圍網(wǎng)絡(luò)的影響隨著距離的變化而變化：它對短距離(25-70微米)的少量神經(jīng)元產(chǎn)生了興奮性影響; 中等距離(70-300μm，最大抑制約110μm)的抑制性影響，影響大多數(shù)鄰近神經(jīng)元; 并且在長距離(大于300微米)時(shí)幾乎沒有影響。

作者隨后的深入分析揭示了一種比一般抑制神經(jīng)活動更復(fù)雜的模式。他們發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元對其他神經(jīng)元的影響程度與它們對視覺刺激的某些特征(如方向和時(shí)間頻率)的反應(yīng)有關(guān)。當(dāng)神經(jīng)元被激活時(shí)，被調(diào)整以響應(yīng)與該神經(jīng)元相似特征的神經(jīng)元比具有不同調(diào)整的神經(jīng)元被更強(qiáng)烈地抑制。無論神經(jīng)元之間的距離如何，這種反比關(guān)系仍然適用。然而，散布在影響的漣漪中，作者還發(fā)現(xiàn)了一組稀疏分布的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元同樣被調(diào)整到目標(biāo)神經(jīng)元并被它強(qiáng)烈激發(fā)(圖1)。

作者的研究結(jié)果表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通過平衡兩種并行計(jì)算模式來發(fā)揮作用。具有相似調(diào)整的神經(jīng)元(作者稱之為特征競爭)之間的主要抑制性影響充滿了相關(guān)性很強(qiáng)的神經(jīng)元(稱為特征性擴(kuò)增)中稀疏分布的興奮性影響口袋。該模型精美地說明了特征競爭如何減少冗余并使有意義信號的輸入與混淆噪聲的信號分離，而特征放大進(jìn)一步提高了選擇神經(jīng)元有效攜帶刺激信息的能力。

Chettih和Harvey的工作提出了幾個(gè)問題。廣泛的神經(jīng)元抑制促進(jìn)特征競爭的細(xì)胞基礎(chǔ)是什么?抑制性中間神經(jīng)元局部起作用以抑制其他神經(jīng)元的活動，并且不同類型的中間神經(jīng)元對刺激具有不同的反應(yīng)。例如，神經(jīng)元中超過五個(gè)動作電位的爆發(fā)可以在約30%的鄰近生長抑素表達(dá)(SOM +)中間神經(jīng)元中誘導(dǎo)尖峰反應(yīng)，而表達(dá)小白蛋白的(PV +)中間神經(jīng)元似乎沒有響應(yīng)這種刺激3(雖然有報(bào)道對比的發(fā)現(xiàn)4)。Chettih和Harvey平均使用光遺傳學(xué)為目標(biāo)神經(jīng)元增加了6個(gè)動作電位。這種刺激特征可能使SOM +中間神經(jīng)元的激活比PV +中間神經(jīng)元的激活更可能。值得注意的是，SOM +中間神經(jīng)元比PV +中間神經(jīng)元10更有選擇性地調(diào)整。調(diào)優(yōu)抑制神經(jīng)元的優(yōu)先募集可能會使網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)偏向于特征競爭。

最后，大腦刺激的編碼如何受到動物行為狀態(tài)的影響?皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)是否針對不同的行為或環(huán)境背景使用不同的編碼方案，以一種影響神經(jīng)元反應(yīng)模式的方式9?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的“漣漪”是否會在更大的影響下發(fā)生巨大變化，就像非牛頓流體(如番茄醬)的行為一樣?還有待觀察。