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研究人员探索了大脑的两个区域——新皮层和丘脑如何协同工作，以检测动物对环境的预期与实际事件之间的差异，这些预测误差是通过选择性地增强意外的感官信息来实现的。这些发现增强了我们对大脑预测处理的理解，并可能为自闭症谱系障碍（ASDs）和精神分裂症谱系障碍（SSDs）中大脑回路的变化提供帮助。
研究介绍
这项发表在《自然》杂志上的研究概述了伦敦大学学院赛恩斯伯里维康中心的科学家如何在虚拟现实环境中研究小鼠，以便于理解大脑中的预测错误信号的本质及其产生机制。
SWC团队负责人、论文通讯作者Sonja Hofer教授称：“我们的大脑不断预测周围世界的状况以及我们行为的后果。当这些预测出错时，会强烈激活不同的大脑区域，这样的预测错误信号对我们从错误中学习并更新预测至关重要，但令人惊讶的是，我们对大脑中负责实施这些信号的神经回路机制知之甚少”。
为了研究大脑如何处理预期和意外事件，研究人员将小鼠置于虚拟现实环境中，让它们沿着熟悉的走廊导航以获取奖励。这个虚拟环境使研究团队能够精确控制视觉输入，并在墙上引入意外图像。通过使用一种称为双光子钙成像的技术，研究人员能够记录初级视觉皮层（新皮层中第一个接收来自眼睛视觉信息的区域）中许多单个神经元的神经活动。
“先前的理论提出预测错误信号编码了实际视觉输入与预期之间的差异，但令人惊讶的是，我们并没有找到这方面的实验证据。相反，我们发现大脑增强了那些对意外视觉输入有最强偏好的神经元的反应。”
研究方法
为了理解大脑如何在视觉皮层中放大意外的感官输入，研究团队采用了一种名为光遗传学的技术来激活或失活不同的神经元群体。他们发现了两类对在视觉皮层中产生预测错误信号至关重要的神经元：位于V1区的表达血管活性肠肽（VIP）的抑制性中间神经元，以及一个名为丘脑枕的丘脑脑区，该区域整合来自多个新皮质和皮质下区域的信息，并与V1区紧密相连。
但研究人员发现，这两类神经元以一种出人意料的方式相互作用。“在神经科学中，我们往往一次只关注一个脑区或通路的研究。但作为一名分子生物学背景的研究者，我对不同的分子通路如何协同作用以实现灵活和上下文相关的调控感到着迷。我决定测试VIP神经元和丘脑枕之间在神经回路层面是否存在合作的可能性，”Furutachi博士解释道。
事实上，Furutachi博士的研究揭示VIP神经元和丘脑枕确实协同工作。VIP神经元就像一个开关板：当它们关闭时，丘脑枕会抑制新皮层的活动；而当VIP神经元开启时，丘脑枕能够强烈且选择性地增强新皮层的感官反应。这两条通路的协同作用因此介导了视觉皮层中的感官预测错误信号。
研究未来
研究团队的下一步是探索在大脑中，动物的预测是如何与实际感官输入进行比较以计算感官预测错误的，以及预测错误信号是如何驱动学习的。他们还在研究这些发现如何有助于理解自闭症谱系障碍（ASDs）和精神分裂症谱系障碍（SSDs）。
Furutachi博士说：“有人提出，ASDs和SSDs都可以用预测错误系统的不平衡来解释，因此我们现在正试图将该发现应用于ASDs和SSDs模型动物，以研究这些疾病机制性的神经回路基础。”
新闻来源：Nature Neuroscience
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