一项新研究将丘脑区域确定为编码新皮层过去经验的关键信号源。
大脑会对我们的感官系统收集到的信息进行编码。然而，为了感知我们的环境并与之进行建设性的互动，需要在我们以往的经验和当前目标的背景下解释这些感官信号。马克斯普朗克脑研究所的研究小组组长Johannes Letzkus博士领导的一个科学家小组已经确定了这种依赖经验（experience-dependent）自上而下的关键信息源。该项研究发表在最新一期的《科学》杂志上。
新皮层是人脑中最大的区域。在哺乳动物进化过程中，新皮层的扩展和分化可以介导许多能够区分人类与近亲的能力。此外，该区域的功能障碍在许多精神疾病中也起着核心作用。大脑新皮层的所有高级认知功能都是通过汇集以下两种不同的信息流来实现的：一种是来自周围环境信号的“自下而上”的信息流，另一种是传输内部生成信息的“自上而下”的信息流，这些信息流编码了我们以前的经验和当前的目标。
“几十年的研究已经阐明了人们处理环境感官输入的方式。然而，我们对内部生成信息的了解还处于初级阶段。”Letzkus说，“这是我们在理解更高级的大脑功能（如感官）方面最大的差距之一。这促使了世界各地的团队寻找这些自上而下信号的来源。我们和其他许多科学家先前的研究表明，新皮层的最上层可能是接收携带自顶向下信息的输入的关键部位。我们以此为出发点确定了丘脑中的一个区域——一个深埋在前脑内的大脑区域——是这些内部信息的主要候选来源。”
受这些观察结果的启发，该研究的第一作者、Letzkus实验室的博士后研究员M.BelénPardi博士设计了一种创新的方法，这种方法能够让她在学习范式前后测量小鼠新皮层中单个丘脑突触的反应。
“结果非常清楚，”Pardi回忆道，“尽管无关联的中性刺激是由该途径中的短暂反应编码的，但学习会大大增强其活动性，并使信号随着时间的推移变得更快，更持久。”
这表明新皮质中的丘脑突触编码了动物的先前经历。我们确实坚信，当我们将获得的记忆力与丘脑活动度的变化进行比较时，情况就是如此：这两者显示出了了很强的正相关”。
但是这种机制对这些自上而下的记忆相关信号有选择性吗？感官刺激可以是相关的，因为我们已经学会与它们联系在一起，但这也仅仅是因为它们的物理特性。例如，声音越大，就越容易引起人和动物的注意。不过，这是一个低级功能，与以往的经验几乎没有关系。
Pardi说：“有趣的是，我们发现这种自下而上的相关性编码机制非常不同，实际上是相反的。”
考虑到它们的核心重要性，科学家们推测，这些信号在大脑皮层的接收方式必须受到严格的调控。Pardi和他的同事在进一步的实验中解决了这个问题，并与柏林理工大学的Henning Sprekeler博士和他的团队合作进行了计算建模。结果确实确定了一种先前未知的机制，它可以很好地调节这条通路上的信息，从而将新皮层最顶层的神经元的特殊类型识别为这些自上而下的信号的动态看门人。
“这些结果揭示，丘脑对感觉新皮质的输入是过去与感觉刺激相关的经验的重要信息来源。这种自上而下的信号在一些大脑疾病如孤独症和精神分裂症中受到干扰，我们希望目前的研究结果也能使我们更深入地了解这些严重疾病背后的不适应变化，”Letzkus总结道。
M. Belén Pardi, Johanna Vogenstahl, Tamas Dalmay, Teresa Spanò, De-Lin Pu, Laura B. Naumann, Friedrich Kretschmer, Henning Sprekeler, Johannes J. Letzkus. A thalamocortical top-down circuit for associative memory. Science, 2020; 370 (6518): 844 DOI: 10.1126/science.abc2399
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