由内而外：大脑是如何形成感官记忆的

大数据文摘出品

来源：sciencedaily

编译：张大笔茹

通常，大脑会对我们感官收集的信息进行编码。为了感知环境并与之进行建设性的互动，这些感官信号需要在以往的经验和当前目标的背景下进行解释。

最新一期的《科学》杂志上，由马克斯普朗克脑研究所的Johannes Letzkus博士领导的一个小组已经确定了这种依赖经验的自上而下传递信息的关键来源。

新皮层是人脑最大的区域。在哺乳动物的进化过程中，它发生了巨大的扩展和分化，被认为介导了许多区别人类与近亲的能力。此外，这一区域的功能障碍也在许多精神疾病中起着中心作用。新皮层的所有高级认知功能都是通过汇集两种不同的信息流来实现的：一种是“自下而上”的信息流，另一种是“自上而下”的信息流，此信息流编码着我们以前的经验和当前的目标。

Letzkus表示：“几十年的研究已经阐明了来自环境的感官输入是如何被处理的。然而，我们对内部生成信息的了解还处于初级阶段。这是我们在理解更高级的大脑功能（如感觉）方面最大的差距之一，也促使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，新皮层的最顶层可能是一个关键的部位，它负责接收携带自上而下信息的输入。以此为出发点，我们确定了丘脑的一个深埋在前脑内的大脑区域作为这些内部信息的主要候选来源。”

受这些观察结果的激励，该研究的第一作者、Letzkus实验室的博士后研究员M.Belén Pardi博士设计了一种创新的方法，使她能够在学习范式前后测量小鼠新皮层中单个丘脑突触的反应。Pardi回忆道，“结果非常清楚，没有关联性的中性刺激是由这种途径中的小而短暂的反应编码的，学习强烈地促进了它们的活动，使信号随着时间的推移变得更快和更持久。这表明，新皮质的丘脑突触编码了动物以前的经验。当将获得性记忆的强度与丘脑活动的变化进行比较时，我们确信：这显示出强烈的正相关，表明来自丘脑的输入显著地编码了刺激的习得行为相关性。”

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，但也仅仅是因为其物理特性。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。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，甚至相反。

科学家们推测，这些信号必须受到大脑皮层的严格调控。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。这项研究结果确实确定了一种可以很好地调节这条通路上的信息的先前未知的机制，被称为位于新皮层最顶层的一种特殊类型的神经元是这些自上而下信号的动态看门人。

“结果揭示了丘脑对感觉新皮质的输入，这是过去与感觉刺激有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。