《Neuron》大脑中存储和使用视觉知识的机制

我们的大脑通过结合我们所看到的和我们已经知道的来解释视觉信息。Champalimaud基金会的研究人员在《Neuron》杂志上发表了一项研究，该研究得到了la Caixa基金会CaixaResearch健康呼吁的支持，揭示了一种学习和储存这些关于世界的现有知识的机制。他们发现神经元是连接看似不相关的概念的。这种连接可能对增强大脑根据过去的经验预测我们所看到的东西的能力至关重要，并使我们更接近于理解这一过程在精神健康障碍中是如何出错的。

我们如何学会理解我们的环境?随着时间的推移，我们的大脑建立了一个知识层次，高阶概念与组成它们的低阶特征相关联。例如，我们知道橱柜里有抽屉，达尔马提亚狗身上有黑白相间的斑点，反之亦然。这个相互关联的框架塑造了我们对世界的期望和感知，使我们能够根据背景和经验识别我们所看到的东西。

“以一头大象为例，”la caixa资助研究的资深作者Leopoldo Petreanu说。“大象与颜色、大小和重量等低阶属性以及丛林或狩猎等高阶环境有关。将概念联系起来有助于我们理解世界，解释模棱两可的刺激。如果你是在狩猎旅行，你可能更有可能在灌木丛后面发现一头大象。同样，知道它是一头大象，即使在昏暗的黄昏中，你也更有可能把它看作是灰色的。但是，这些先验知识存储在大脑的哪个结构中，又是如何学习的呢?”

大脑的视觉系统由协同工作的区域网络组成，较低的区域处理简单的细节(例如空间的小区域、颜色、边缘)，较高的区域代表更复杂的概念(例如空间的大区域、动物、面孔)。较高区域的细胞向较低区域发送“反馈”连接，使它们处于学习和嵌入由经验形成的现实世界关系的位置。例如，编码“大象”的细胞可能会向处理“灰色”、“大”和“重”等特征的细胞发送反馈。因此，研究人员着手调查视觉体验如何影响这些反馈投射的组织，这些反馈投射的功能作用在很大程度上仍然未知。

该研究的第一作者之一Rodrigo Dias说：“我们想了解这些反馈投影是如何存储有关世界的信息的。为了做到这一点，我们检查了视觉体验对反馈投射的影响，反馈投射到小鼠的较低视觉区域V1。我们以不同的方式饲养两组小鼠:一组在正常的环境中，有规律的光照，另一组在黑暗中。然后我们观察反馈连接，以及它们在V1中瞄准的细胞，如何对视野的不同区域做出反应。”

在黑暗中长大的小鼠，反馈连接和V1细胞都代表着相同的视觉空间区域。第一作者Radhika Rajan讲述了这个故事:“在黑暗饲养的小鼠身上，看到较高和较低区域的空间表现是多么地吻合，真是令人惊讶。这表明大脑有一个内在的、遗传的蓝图来组织这些空间排列的连接，独立于视觉输入。”然而，在正常饲养的小鼠中，这些连接不太精确匹配，更多的反馈输入传递了来自周围视野区域的信息。

Rodrigo Dias继续说:“我们发现，有了视觉经验，反馈提供了更多的背景和新颖的信息，增强了V1细胞从更广泛的视觉场景中采集信息的能力。”这种效果取决于高视觉区域的起源:与来自浅层的反馈投影相比，来自较深层的反馈投影更有可能传达周围信息。

此外，研究小组发现，在正常饲养的小鼠中，V1的深层反馈输入会根据它们“喜欢”看到的模式(如垂直线或水平线)进行组织。“例如，”Dias说，“喜欢竖线的输入避免向垂直方向的区域发送环绕信息。相比之下，我们在黑暗饲养的小鼠中没有发现这种连接偏差。”

Petreanu指出:“这表明视觉体验在微调反馈连接和塑造从高视觉区域到低视觉区域传递的空间信息方面起着至关重要的作用。我们开发了一个计算模型，展示了经验是如何导致选择过程的，减少了反馈和V1细胞之间的联系，V1细胞的表征重叠太多。这最大限度地减少了冗余，允许V1细胞整合更多样化的反馈范围”。

也许与直觉相反，大脑可能通过连接代表不相关概念的细胞来编码所学知识，这些细胞不太可能根据现实世界的模式一起被激活。这可能是一种节能的信息存储方式，因此，当遇到新的刺激时，比如一只粉红色的大象，大脑预先配置的线路会最大限度地激活，增强对世界的探测和更新预测。

在这种整合过程出现故障的情况下，识别这种将先验知识与新的感觉信息结合在一起的大脑界面对于开发干预措施可能是有价值的。正如Petreanu总结的那样，“这种失衡被认为发生在自闭症和精神分裂症等疾病中。在自闭症患者中，个体可能会认为一切都是新的，因为先前的信息不足以影响感知。相反，在精神分裂症中，先前的信息可能过于占主导地位，导致内部产生的感知，而不是基于实际的感官输入。了解感官信息和先验知识是如何整合的，可以帮助解决这些不平衡问题。”