Nature | 揭示大脑如何通过视觉和运动信号追踪目标
Nature | 揭示大脑如何通过视觉和运动信号追踪目标
在神经科学领域中，“对齐”是指大脑中的神经元如何协调和匹配不同类型的信息，使我们的感觉和动作能够顺利结合。简单来说，就是大脑如何将我们看到的东西和我们的动作协调起来。
还记得吗，孙悟空拥有火眼金睛，他能敏锐地捕捉到每一个快速移动的妖怪。这是因为孙悟空的大脑能够将他看到的妖怪的运动轨迹和他的打斗动作“对齐”起来。也就是说，当孙悟空看到妖怪移动时，他的大脑会把视觉信息和运动指令进行协调，使得他的动作能够精确地追踪和打击妖怪。
2024年7月3日，研究人员在Nature期刊发表了一篇题为Kinetic features dictate sensorimotor alignment in the superior colliculus的研究论文。这项研究揭示了小鼠上丘中的视觉和运动转换不仅依赖于静态空间感受野，还显著依赖于运动视觉特征的对齐。换句话说，小鼠的大脑会根据物体的运动来调整它们的动作，而不仅仅是根据物体的位置。
研究团队利用小鼠作为实验对象，结合了体内和体外的电生理记录，包括全细胞记录和四极电极记录，以及双光子钙成像技术，系统地测量了上丘不同层次中运动和前运动神经元的视觉和运动响应。
运动单元相应运动视觉特征
研究团队发现，上丘中的运动单元对运动视觉特征有非常强的反应。简单来说，这些神经元更关注动态的视觉信息，而不是静态的图像。就像你在看一辆快速移动的汽车时，你的眼睛和大脑会跟踪汽车的运动轨迹，而不是它在某个静止位置的样子。研究实验结果显示，上丘中的神经元对移动的视觉刺激反应更迅速，而对静态视觉刺激的反应较弱。这表明小鼠的大脑在处理视觉信息时，更倾向于关注运动中的变化。
上丘中的视-运动网络
接下来，研究人员记录了小鼠上丘不同层次的神经元对各种视觉刺激的反应，包括移动的条纹和闪烁的方块。结果显示中间层和深层的神经元对运动视觉特征反应更加显著。这就像你在跑步时，不仅关注前方的路，还会留意周围移动的物体。研究人员发现，56%的中间层和深层神经元对移动条纹有反应，而只有11%的神经元对静态视觉刺激有反应。此外，这些神经元在自然活动中的反应，与在麻醉条件下的反应是一致的，这表明这些神经元在日常生活中也同样重要。
视-运动神经元的运动方向选择性
研究团队进一步发现，这些视-运动神经元对运动方向有特别的选择性。通过记录自由活动的小鼠的头部运动和视觉刺激反应，研究人员发现，这些神经元不仅能感知头部的运动方向，还能对视觉刺激的运动方向做出选择性反应。更有趣的是，这些神经元的运动方向选择性与视觉方向选择性是相反的。简单来说，如果一个神经元对向左移动的视觉刺激有反应，它会指挥身体向右移动。这种反向对齐帮助小鼠更快地拦截移动的目标，就像足球运动员在比赛中预判对手的动作一样。
这项研究发现，上丘中的运动神经元不仅依赖于静态的空间感受野，还显著依赖于运动视觉特征的对齐。这些发现挑战了我们对大脑感知与运动整合的传统理解，提供了一个新的理论框架，帮助我们更好地理解大脑是如何在动态环境中处理信息的。