新皮層的感官處理需要前饋（feedforward）和反饋（feedback）信息流。然而，我們對介導反饋影響的回路和細胞機制的了解有限。

近日，Mehmet Fi?ek，Michael H?usser團隊使用小鼠的遠程全光學連接映射（long-range all-optical connectivity mapping）來表明，lateromedial higher visual area（LM）到初級視覺皮層（V1）的反饋影響是空間組織的（spatially organized）。雙光子鈣成像揭示V1錐體神經(jīng)元的非線性樹突整合。新皮層反饋連接和非線性樹突整合支持預測和上下文交互。

他們的成果“Cortico-cortical feedback engages active dendrites in visual cortex”發(fā)表在最新一期的Nature雜志上。

研究皮質-皮質反饋的影響需解決兩個問題：映射連接性和了解反饋的單元級整合。反饋通過頂端樹突進行非線性處理。作者關注V1和LM之間的反饋，研究投射到其他皮質區(qū)域的5層內在電生成神經(jīng)元。

【本篇文章中專有名字較多，可能有不準確的地方，請批評指正】

反饋的回路組織

為了揭示跨區(qū)域的遠程功能連接，作者使用了同步雙光子光遺傳學（simultaneous two-photon optogenetics）和鈣成像技術（圖1a），以細胞級別的精度進行了研究。通過共同表達鈣指示物GCaMP6s和靶向興奮性視蛋白C1V1(t/t)-Kv2.1（圖1b），作者能夠描繪V1和LM之間的連接。他們使用全息光刺激和鈣成像同時記錄了兩個皮層區(qū)域的神經(jīng)元活動（圖1c）。

研究發(fā)現(xiàn)，在局部和前饋連接中，光刺激引起了空間受限的促進和局部抑制（圖1d，e，f）。然而，反饋連接顯示出與視網(wǎng)膜位置相關的組織，促進和抑制響應者的分布也有所不同（圖2c，d）。

這些結果表明，反饋連接的功能影響取決于源和目標之間的視網(wǎng)膜對齊情況。當連接在相同的視覺空間部分時，反饋影響更具抑制性；而當連接在相互偏移的刺激部分時，反饋影響更容易產生。

圖1.使用同時雙光子光發(fā)生刺激和雙光子鈣成像，對小鼠視覺皮層中的內層功能連接進行中尺度映射

圖2.皮質-皮質反饋相對抑制地形匹配的中心位置，并相對促進不匹配的周圍位置

周圍刺激喚起樹突事件

反饋的影響不僅與連接性相關，還受到受體神經(jīng)元突觸整合的影響。頂樹突作為反饋途徑，其整合過程復雜。盡管頂樹突與細胞體遠離，阻礙被動整合，但其獨立運作特性使其能夠產生與鈣離子相關的再生事件，放大反饋影響、調控閾值和增益控制。對于在視覺皮層中觸發(fā)這些事件的條件的確定至關重要。根據(jù)作者對反饋連接性的觀察，他們預測V1中的頂端樹突簇更多地接收來自視網(wǎng)膜周圍的反饋，并通過再生事件增強對神經(jīng)元輸出的影響。

為了驗證預測，作者開發(fā)了一種雙重重組酶法（a dual-recombinase approach），超稀疏標記第5層IT神經(jīng)元的樹突（圖3a）。通過測量單個神經(jīng)元的遠端樹突簇鈣信號，作者最小化了來自其他源的影響。

結果顯示，視覺刺激能夠觸發(fā)局部樹突的鈣瞬變，其空間范圍比單個樹突事件廣泛，但不及全局鈣事件。這些局部事件涉及多個刺激和樹突分支，同一分支的近端未被激活（圖3b）。這些發(fā)現(xiàn)支持周圍刺激更容易招募反饋和局部鈣事件的假設，進一步揭示了V1頂端樹突中感官上下文的局部和非線性整合過程。

圖3.招募促進反饋的視覺刺激推動了頂端簇樹突的局部鈣事件

反饋有助于樹突狀信號

為了研究功能連接和樹突招募之間的關系，作者探索了反饋對頂樹突的非線性整合的影響。通過將LM神經(jīng)元的雙光子刺激與V1中的頂樹突成像相結合（圖4a），他們發(fā)現(xiàn)LM神經(jīng)元的刺激降低了頂樹突的平均鈣信號（圖4b，c，d）。LM介導的反饋抑制是密集和非特異性的，而反饋促進則較為稀疏。

進一步的實驗顯示，LM輸入可以觸發(fā)V1特定錐體神經(jīng)元頂端簇的局部樹突鈣事件。此外，LM輸入還能增強受體樹突分支中的鈣信號（圖4i，j）。

總體而言，作者的研究揭示了反饋的幾個特點，包括密集的抑制和稀疏的促進，以及對局部樹突鈣信號的驅動作用。這些結果為LM反饋與頂樹突的非線性整合之間的因果關系提供了支持。

圖4. LM反饋驅動V1中分支特異性局部樹突鈣信號

行為調節(jié)反饋和樹突

為了研究反饋和樹突是否受行為狀態(tài)調節(jié)，作者探究了運動對視覺反應的影響。結果顯示，運動增強了谷氨酸和GABA信號。對小刺激，運動抑制了頂樹突活動，而對大刺激則無影響。運動減少了小刺激的軀體和樹突反應，同時增強了大刺激的反應?；讟渫豢赡茉谠鰪妼Υ蟠碳さ姆磻衅鹱饔?。通過雙色雙光子成像，作者觀察到運動過程中，頂端輸入減弱，基底輸入增強。這些結果揭示了行為狀態(tài)對反饋和樹突的調節(jié)機制。

結 論

作者的研究揭示了關于皮質反饋的新發(fā)現(xiàn)，涉及組織結構、非線性樹突整合和其在大腦內的相互關系。作者發(fā)現(xiàn)了視覺皮層中反饋的特殊組織模式，它在相同區(qū)域間表現(xiàn)為抑制中心、促進包圍。相比之下，來自額葉皮層的反饋呈現(xiàn)出相反的模式。此外，他們還發(fā)現(xiàn)來自LM的反饋對V1的非線性增強起到重要作用，并且與活動行為狀態(tài)相關。這些結果揭示了反饋在視覺處理中的重要性，并有助于我們理解其調控機制。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06007-6

參考文獻

Fi?ek, M., Herrmann, D., Egea-Weiss, A. et al. Cortico-cortical feedback engages active dendrites in visual cortex. Nature (2023).

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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