研究揭示去同步化脑状态下快速视觉处理级联放大机制

　　12月17日，《美国科学院院报》(PNAS)在线发表了中科院上海生命科学研究院神经科学研究所姚海组的最新研究论文《去同步化脑状态下快速视觉信息处理的级联放大机制》。这项工作首次揭示了脑状态依赖的快速信息处理的神经机制。

　　对外界环境做出快速反应是维系动物生存的一项至关重要的能力，尤其是当动物遇到它的捕食者，需要快速逃离的时侯。人和动物在机警状态下的反应速度加快。动物的警觉程度和脑内群体神经元的活动状态密切相关。当动物高度清醒或机警时，群体神经元呈现出低幅度高频率的活动模式，脑处于去同步化状态;而当动物安静或奢睡时, 群体神经元呈现出高幅度低频率的活动模式，脑处于同步化状态。

　　在这项工作中，姚海珊组的王旭东、陈成和张丁红研究了V1神经元的反应起始时间与脑活动状态的关系。他们发现，V1神经元的反应起始时间在去同步化状态下比同步化状态更短。为了深入研究反应起始时间提前的机制，他们使用在体膜片钳技术测量了同一个V1神经元在两种脑状态下的静息电导和视觉诱发电导，发现去同步化脑状态下的电导更高。通过建立一个单神经元模型，他们发现单个V1神经元的电导增加不足以解释实验中测得的反应起始时间的提前程度。于是，他们运用多通道线性硅电极同时记录了LGN和V1神经元的反应。研究发现，LGN神经元的反应起始时间也是在去同步化状态下更短，但其提前程度比V1神经元要小。在V1，反应起始时间的提前程度从layer4到layer2/3到layer5逐级增加。由此可见，反应起始时间的提前程度沿着视觉信息传递的方向逐级积累，这可能是去同步化脑状态引起大范围膜电导增加导致的。

　　由于初级感觉皮层位于感觉运动通路的起始阶段，该项研究揭示的级联放大机制为理解动物在机警状态时做出快速反应的神经生物学机制奠定了基础。

　　该课题由王旭东、陈成及张丁红在姚海珊研究员的指导下完成。这一工作得到了科技部“973”项目和神经科学国家重点实验室资助。

A. LFP(场电位)所示的脑活动状态的改变。插图：从去同步化(红色)和同步化(蓝色)脑状态下提取并放大的、长度为4s的LFP曲线。

B.反应时间提前的程度在V1各层逐级增大。*P < 0.05, Wilcoxon 秩和检验。

C.同时记录的一对LGN和V1神经元在去同步化(红色)和同步化(蓝色)状态下感受野空间方差的时程曲线。垂直的虚线指示感受野的反应起始时间。

D.LGN(蓝绿色)和V1(洋红色)神经元反应起始时间提前的分布曲线。箭头指示平均的反应起始时间提前程度(LGN,10.4 ms; V1，14.4 ms)。**P < 0.01, Wilcoxon 秩和检验。

E. 模式图：去同步化脑状态下大范围的电导升高使得反应时间的提前程度在信息传递的各阶段逐级累积放大。