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周栋焯课题组在PNAS发表关于神经元方向选择性与输入对比度关系最新研究成果 Mechanisms underlying contrast-dependent orientation selectivity in mouse V1

Recently, sophisticated optogenetic tools for mouse have enabled many detailed studies of the neuronal circuits of its primary visual cortex (V1), providing much more specific information than is available for cat or monkey. Among various other differences, they show a striking contrast dependency in orientation selectivity in mouse V1 rather than the wellknown contrast invariance for cat and monkey. Constrained by the existing experiment data, we develop a comprehensive large-scale model of an effective input layer of mouse V1 that successfully reproduces the contrast-dependent phenomena and many other response properties. The model helps to probe different mechanisms based on excitation–inhibition balance that underlie both contrast dependencies and invariance, and it provides implications for future studies on these circuits.

2018年10月,上海交通大学自然科学研究院及数学科学学院周栋焯、蔡申瓯和他们的学生物理与天文学院戴维以及美国纽约大学库朗研究所David W. McLaughlin教授,在《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,简称PNAS) 上发表了关于小鼠的初级视皮层网络中神经元的方向选择性与输入对比度关系的研究文章。该工作通过构建由实验数据主导的神经元网络模型,发现了小鼠的方向选择性随着输入对比度变化而变化的网络动力学机制。本研究成果为将来理解小鼠,以及其他具备较高级视觉能力的哺乳动物的初级视觉皮层网络的动力学特性提供了新的理论角度和可行的实验设计。

周栋焯教授(原与蔡申瓯教授)课题组学生戴维通过构建大尺度神经网络动力学模型,在同时满足其他真实实验数据中的神经元性质的约束下,重现了方向选择性随对比度变化而变化的现象;然后通过对连接结构,连接强度的参数调控重现了在其他动物实验中发现的不变性;从而揭示了调节方向选择性与输入对比度关系的网络动力学机制:i) 无选择性的抑制性神经元对兴奋性神经元的回馈强度,ii) 有选择性的兴奋性神经元内部的回路强度。在输入选择性一定的情况下,课题组及合作者发现,在一定程度上,随着抑制性回路的增强,兴奋性神经元的方向选择性将随着输入对比度增强而增强;而随着兴奋性回路的减弱,兴奋性神经元的方向选择性则会几乎不变。课题组及合作者也对于小鼠与其他高级视觉动物的宏观网络结构的差异进行了探讨,并发现在具有较高级视觉能力的动物中也有存在着证据支持以上发现的网络动力学机制。

神经元方向选择性与输入对比度关系

文章的第一作者是上海交通大学物理天文学院、自然科学研究院博士生戴维,上海交通大学自然科学研究院及数学科学学院周栋焯教授和纽约大学库朗研究所David W. McLaughlin 教授为本文的共同通讯作者,课题伊始由蔡申瓯教授主导,同时受到国家自然科学基金、纽约大学阿布扎比分校高性能计算中心等资助。

参考文献