神经元如何解读视觉？科学家揭开大脑看世界的规则

即使在初级视觉皮层——这个大脑区域因其专门处理眼睛所见内容的基本特征而得名——并非每个神经元最终都会响应处理视觉输入属性的任务。也许这是因为每个神经元通过数千条回路连接（即“突触”）接收到各种各样的输入，并且必须选择响应视觉信息还是其他信息。

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在一项针对小鼠的新研究中，麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的神经科学家揭示了执行视觉处理的神经元如何整理这些输入以完成工作。研究结果发表在《iScience》期刊上。

资深作者、皮考尔研究所和麻省理工学院大脑与认知科学系的神经科学教授Mriganka Sur表示，神经科学家们非常感兴趣的是，在众多选择中，哪些输入会促使神经元参与大脑的计算和功能。神经元最终通过“发放”电动作电位来参与大脑回路。

Sur说：“输入的配置、组织的类型、神经元组装体相互调节以产生动作电位的方式，是大脑回路如何处理信息的核心。”“这些（视觉皮层）细胞是神经科学这一极其深刻而宏大图景的缩影。”

在这项由博士后Kyle Jenks领导的研究中，研究团队通过精细成像，观察了小鼠观看移动图像时，不仅是神经元胞体，还有它们形成于树突棘（神经元突起）上的单个突触如何做出反应。

他们不仅对视觉反应神经元进行了成像，也对那些本身无反应但树突棘有视觉反应的神经元进行了成像。这使他们能够分析许多可能影响特定突触形成位置以及它如何影响胞体反应的关键特性。

“这项研究将许多原本孤立考察的方面汇聚在一篇综合论文中，”詹克斯说。“我们能够比较神经元及其树突棘对相同刺激的反应，并且可以对视觉反应神经元和无反应神经元都进行这种比较。”

揭示规律

在视觉皮层第2/3层中，詹克斯和团队通过基因工程改造了神经元，使得当钙离子激增表明树突棘上的突触活动增加时，它们单个的树突棘会发光。

科学家们对细胞体（soma，胞体）也用了同样的方法进行追踪，以了解细胞如何作出反应，以及它如何把整体反应信号传回突触。

这样，当黑白光栅以不同角度、不同方向从小鼠眼前漂过时，科学家们就能追踪每个树突棘和每个细胞对这种图案化视觉刺激的整体反应。

他们总共追踪了11个对视觉输入有反应的神经元，以及另外11个似乎对这个输入没有反应的神经元。他们由此总结出几条规律：

距胞体的距离很重要：在那些对视觉输入有反应的细胞中，树突棘越靠近胞体，它的个体反应就越有可能跟胞体的活动相关。同理，胞体也会向树突棘回传信号，一般认为这种信号能让树突棘的偏好跟胞体保持一致；这种信号越靠近胞体越容易检测到，离得越远就越难。

局部聚类：在对视觉输入有反应的神经元上，树突棘彼此形成相关反应的小型独立飞地。具体而言，5微米（百万分之五米）范围内的树突棘协同运作。但就在该5微米边界之外，树突棘参与该活动的可能性低于随机水平。Sur推测，这些孤立的活性区域增强了每个飞地的反应。

'顶端'对比'基底'：团队研究的神经元有两种不同类型的树突。顶端树突很长，从神经元顶部（或“顶端”）伸出，往往接收来自整个皮层的各种输入。基底树突较短，从底部向外延伸，通常接收更多原始视觉输入。虽然总体上基底树突确实比顶端树突收到更多视觉输入，但Jenks发现，视觉响应神经元上的顶端树突比非响应神经元上的顶端树突拥有显著更多的视觉响应树突棘。而且两种树突都同样遵守上述关于与胞体距离的规则。

方向选择性最重要：Jenks、Sur和团队使用统计建模来确定众多因素（刺激选择性、反应可靠性、树突棘与胞体的距离、顶端与基底等）中哪些最能解释树突棘的反应性与胞体反应性的相关程度。结果显示，树突棘对其偏好光栅方向的选择性以压倒性优势成为最重要的单一因素。

“我们的结果表明，小鼠（视觉皮层）兴奋性第2/3层神经元的突触输入并非随机排列，而是以与多种因素相关的方式组织和分布，这些因素包括胞体反应性、胞体调谐、分支类型、与胞体的距离、局部相关性和刺激选择性，”研究人员写道。

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Jenks和Sur表示，研究团队的发现可以在多个方面推动大脑视觉研究。某些会影响神经元在回路中连接方式的基因突变，可能会影响视觉皮层神经元和视觉，Sur说。

把这些规则记录下来，研究人员就有了一个对比基准，可以用来检查这类突变带来的影响。Jenks补充说，这些发现还能为模拟神经元在计算中如何整合突触输入的建模工作提供参考。

除了Sur和Jenks之外，这篇论文的其他作者还包括Gregg Heller、Katya Tsimring、Kendyll Martin、Asrah Rizvi和Jacque Pak Kan Ip。

更多信息： Kyle R. Jenks 等人，小鼠视觉皮层第2/3层神经元树突棘的功能组织，iScience (2026)。DOI: 10.1016/j.isci.2026.115861

本文由麻省理工学院提供

本文首发于 Medical Xpress。