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周栋焯和蔡申瓯教授最新PNAS论文:关于初级视皮层时空动力学研究

近期,国际顶级学术期刊美国科学院院报 ( Proceedings of the National Academy of Sciences, 简称PNAS) 发表了上海交大自然科学研究院及数学系特别研究员周栋焯为第一作者、蔡申瓯教授为通讯作者的题为“Spatiotemporal dynamics of neuronal population response in the primary visual cortex”的论文(2013年5月21号,PNAS Early Edition), 报道了他们关于灵长类初级视皮层的神经元群体对外界刺激响应的时空动力学研究的最新进展。PNAS为美国科学院主办的高水平的学术期刊,是科学界影响力最高的综合性期刊之一,涵盖数学、物理、 化学、生物、等所有科学领域。

这项工作通过构建初级视皮层的大尺度神经元网络的计算模型和理论分析,探讨了实验上利用电压敏感染料观测到的关于猴子执行视觉信号检测任务时的初级视皮层神经元网络时空动力学的特性。

神经科学研究的一个核心问题就是理解神经元网络如何对外界信息进行编码,实验发现,即使是简单的视觉刺激都能引起初级视皮层大范围的神经元群体活动,而外界视觉信号则普遍被认为是编码在这些神经元集群的时空动力学斑图中。为了能够观测大范围的神经元群体活动,基于电压敏感染料的光学成像方法一直以来是一种非常重要的研究手段,被广泛应用于麻醉和清醒动物的初级视皮层动力学研究的实验中。近年来,一系列的关于清醒猴子执行视觉信号检测任务的实验引起了很大的关注,这些实验发现了诸多有意思的现象,例如动力学响应的长程空间关联,且该关联不依赖与信号刺激的对比度;标准偏差的大小不随时间改变,且同样不依赖于刺激的对比度;对于刺激响应的前期和后期具有动力学不对称性等。基于以上这些实验观测和信号检测理论,发现了对于包含外界信息的初级视皮层的活动,存在着一个线性准则能够被下游更高层的视神经系统来解码,且该准则是最优的,其系数矩阵(最优权重)具有中心和周边相互对抗(antagonistic center-surround)的结构,这些结果被相继发表在Nature Neuroscience,Neuron等神经科学的权威杂志上。

为了理解这些实验观测数据与分析结果背后潜在的神经元网络的内在动力学机制,周栋焯和其合作者通过构建初级视皮层的大尺度神经元网络的计算模型,非常好地刻画了实验上观测到的几乎所有的时空动力学的特性,提出了NMDA受体的横向的长程连接是实验上观测到的神经元群体活动存在时间与空间长程关联的可能的生理机制,更进一步,发现实验上的很多观测现象与实验所采用的像素大小有密切的关系,例如像素点的动力学反应服从高斯分布、标准偏差的大小不随时间改变等,这些现象不属于初级视皮层网络的内在动力学特性,而是实验上采用了较大像素点带来的人为影响,他们的理论分析结果表明,随着像素点大小的精细化,标准偏差不再是独立于对比度的常数,从而原来实验分析得到的线性准则已经不再是最优准则了,而且其系数矩阵也不再具有中心和周边相互对抗的结构。

这项工作通过理论分析、建模和计算模拟对初级视皮层的内在动力学现象给以机制性的解释,并通过理论及计算分析将与实验上数据处理不当而得出的现象与内在动力学现象区分开来,同时对于光学成像领域提出了重要的概念性的问题,即实验上所观测的现象需用多像素精度验证, 这对光学成像实验有很重要的影响。

参考文献: Spatiotemporal dynamics of neuronal population response in the primary visual cortex http://www.pnas.org/content/early/2013/05/21/1308167110.full.pdf+html