顛覆認知！Nature首度揭示大腦傳遞信息的真正邏輯

葯明康德/報道

今日，一項重量級的研究刊登在了最新一期的《自然》雜誌上：來自冷泉港實驗室與瑞士巴塞爾大學的團隊通過對小鼠視覺皮層進行單神經元分析，揭示了一個令人意想不到的信息傳遞模式。這個模式表明，我們過去對於大腦處理信息的理解，其實是非常片面和不準確的。

▲我們對於大腦的理解還停留在極為初步的階段（圖片來源：Pixabay）

在經典大腦模型中，我們知道信息會在皮層之間逐層傳遞——從初級視覺皮層（V1）處獲得的信息，會往下進入到功能更為特異的區域，幫助我們識別圖像。然而限於技術所限，儘管我們大致摸清了皮層與皮層間的關係，但「解析度」一直沒有達到單細胞的精度。換句話說，在神經元層面，我們依舊不知道這些信息是怎麼傳遞的。

為了了解在神經元層面上的信息傳遞模式，研究人員們首先使用了一種叫做「全腦熒光軸突追蹤」的技術，給小鼠視覺皮層里的神經元做上綠色熒光的標記。然後，他們在顯微鏡下仔細地標註出不同神經元所映射的位置。在三年的辛勤工作下，他們完成了這一壯舉，並意外地發現，小鼠初級視覺皮層里的神經元映射極為多樣——單個神經元里的信息，竟然可以傳遞到多個完全不同的區域。這顛覆了單個神經元只能映射到單個區域的假設！

▲單個神經元竟可以映射到多個不同的區域（圖片來源：Zador Lab, CSHL）

也許是結果太具有顛覆性，研究人員們又開發了一種全新的技術，想通過完全不同的實驗來進行驗證。在第二項實驗中，研究人員們將成百上千個不同神經元用RNA分子進行了標記。這些RNA的序列都是隨機的，就好像驗證碼一樣，具有唯一性。當這些「RNA驗證碼」進入到神經元後，會順著軸突來到神經元所映射的區域。隨後，研究人員們再使用高通量測序技術，對不同的大腦區域進行分析。結果再次證明，初級視覺皮層里的大部分神經元會映射到多個不同的區域，且映射到兩個區域、三個區域、或是四個區域的比例大致相等。

▲神經元映射的多樣性讓人顛覆了固有的認知（圖片來源：Sainsbury Wellcome Centre）

「一般人們都認為每個神經元都只映射到一個皮層區域，這是由於我們對大腦的基本結構缺乏認知，」該研究的共同第一作者Justus M. Kebschull博士說道：「我們的研究結果與通常的認知截然不同，有望會讓未來的實驗手段出現重大變化。」

毫無疑問，對於單神經元映射的進一步深度研究，將會改寫我們對大腦的認識。動物的大腦遠比我們想像中要複雜。未來，我們還需要更多研究，來理清大腦的結構與功能。

▲韓芸耘教授位列這項顛覆性研究的作者首席（圖片來源：華中科技大學同濟醫學院基礎醫學院）

值得一提的是，該研究的共同第一作者之一，作者列表中的首席為華中科技大學同濟醫學院基礎醫學院的中組部「青年千人「計劃專家韓芸耘教授。我們很高興看到華人學者的研究能為基礎科學的發展起到重要推動作用，也期待未來能見證更多來自華人學者的學術進展！

參考資料：

[1] The logic of single-cell projections from visual cortex

[2] Brain-wide tracing of single neurons reveals breadth of information transfer from visual cortex

[3] Revolutionary brain-mapping technique provides new blueprint for cortical connections

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