为了准确地感知移动物体的方向，老鼠可能会利用一小群但非常有用的视觉神经元，它们的工作方式似乎与灵长类动物大脑皮层中的“模式细胞”相同。多亏了这些神经元，大鼠可以依靠一个相当先进的运动处理系统，该系统基于从视网膜图像中提取高级视觉信息。
这些是刚刚发表在《科学进展》杂志上的一项新的SISSA研究的结论。为了调查大鼠大脑中是否含有能够解决“孔径问题”的神经元，这是准确感知运动的关键步骤，由戴维德·佐科兰(Davide Zoccolan)教授领导的团队记录了大鼠视觉皮层中的一组特定细胞，并使用人工智能模型分析了它们的行为，以解释细胞的功能。
结果表明，这些神经元确实具有与灵长类视觉系统中发现的“模式细胞”相当的特性。了解支撑这些细胞功能的过程不仅有助于扩大我们对视觉系统的理解，而且有助于激发创新人工视觉系统的发展。
这项新研究证明，大鼠是很好的动物模型，可以用于研究视力和可能影响视力的病理，如神经退行性疾病或神经发育障碍。
“从感知的角度来看，估计物体移动的方向是一项非常复杂的计算。每个物体都是由许多不同的部分组成的，这些部分可以被粗略地认为是一组定向的部分，”领导这项研究的Zoccolan教授解释说。
Zoccolan继续说:“在我们视觉系统的初始阶段，神经元对视野中很小一部分的视觉刺激很敏感(它们的‘接受野’)。这意味着在任何给定时间，它们中的每一个都只能‘看到’这些定向片段中的一个。”
“总的来说，这些神经元似乎能够将物体的图像分解成许多小组件:许多小的定向片段。这种分解是我们的视觉系统解释视网膜收集的图像过程中的一个基本步骤。然而，当涉及到感知运动时，它提出了一个挑战。”
“事实上，这些神经元只能测量与它们编码的定向轮廓垂直的物体的运动成分。例如，就好像我们通过一个小洞看我们周围的环境:我们将无法看到一个物体的真实、完整的运动。这就是专家们所说的‘光圈问题’。”
“为了准确地感知一个复杂物体的运动方向，这些神经元(被称为‘成分’细胞)提供的信号需要进一步处理和整合，以便给我们一个完整的运动物体的视图。在灵长类动物中，这种操作沿着‘背侧流’进行，它从初级视觉皮层开始，到达顶叶的高级视觉区域，在一个日益复杂的功能层次中，”Zoccolan继续说道。
然后，来自组成细胞的信息到达我们视觉系统中的一种特殊神经元:模式细胞。Zoccolan解释说:“这些细胞可以处理所有传入的数据，然后将它们整合起来，让我们看到物体的整体运动。”
该研究的第一作者Giulio Matteucci解释说:“在我们的研究中，我们研究了大鼠的皮层视觉神经元中哪些受到孔径问题的影响，表现得像组成细胞，哪些不受其影响，表现得像模式细胞。”
“我们在大鼠皮层的两个不同视觉区域发现了一小群这种模式类型的神经元。这表明啮齿类动物的大脑也含有神经元，这些神经元能够以类似于灵长类动物皮层的方式提供移动物体的真实视图，”研究人员继续说道。
尽管这两个物种之间存在明显的差异。在啮齿类动物中，这些类型的细胞数量要少得多，并且分散在视觉皮层的各个区域，而不是像灵长类动物那样聚集在特定区域。”
为了了解团队观察到的细胞是否真的可以被认为是“模式细胞”，研究人员求助于人工智能。
Matteucci说:“我们使用人工神经网络和深度学习模型，这些模型可以忠实地再现灵长类动物视觉神经元行为的不同方面。”他解释说:“只有通过开发基于这些神经网络的预测模型，我们才能解释大鼠模式细胞的反应。这就是我们如何排除其他假设，并确认这些实际上是真正的模式细胞。”
“我们的研究得出了几个有趣的结论，”Zoccolan教授说。“首先，我们发现一个比我们的视觉系统简单得多，层次结构也浅得多的视觉系统，仍然可以包含专门用于高级运动处理的高级神经元。从比较的角度来看，这很有趣。此外，它还可以引发新的计算研究，并激发新的人工视觉模型。”
该研究的第二个优势在于对未来研究的展望。“在过去的15年里，啮齿类动物被广泛用于研究正常和病理条件下的视觉处理。但视觉科学家面临的问题仍然是一样的:这些动物在多大程度上是研究人类视觉功能的好模型?”
“通过这项工作，我们提供了额外的证据来支持这样的结论，即啮齿动物的视觉皮层与我们的视觉皮层非常相似，值得研究，从而利用这些物种中可用的一系列非凡的实验工具来检查神经元回路。”
事实上，未来的工作将需要详细研究这些特殊神经元在大鼠中的功能。Davide Zoccolan总结道:“我们知道它们的行为像模式细胞，但我们还不知道这种能力背后的神经元回路的蓝图。这是一个有待未来研究的问题。”
更多信息:Giulio Matteucci等人，《真正的模式:运动信号的非线性整合是解释大鼠视觉皮层模式细胞反应的必要条件》，Science Advances(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv。adh4690期刊信息:Science Advances
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高级研究学院
引用视觉皮层研究表明，啮齿动物可能以与灵长类动物相似的方式看到移动的物体(2023,11月13日)
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