神经科学家精确定位帮助分辨脸部的神经元

日期:2018-05-16 浏览:20

利用光遗传学,麻省理工学院的神经科学家提供了第一个将FD神经元直接连接到灵长类动物中进行面部辨别的证据 - 具体而言,就是区分男性和女性。 / em

灵长类动物(包括人类)如何区分不同的面部表情?科学家长期以来一直将这种能力归因于所谓的“面部探测器”(FD)神经元,被认为是负责区分面部以及其他物体。但没有直接证据支持这一说法。

与训练正确识别男性或女性脸部图像的猕猴合作,研究人员使用光敏蛋白来抑制视觉信息处理区域的颞下(IT)皮质中的FD神经元的子区域。在抑制神经元时,研究人员观察到动物正确识别性别的能力有一个小的但显着的损害。

“如果这些面部探测器的神经元参与面部辨别行为 - 告诉面部的性别分开 - 那么,如果我们把它们击倒,这种行为应该会受到打击,”麻省理工学院麦戈文研究所的研究科学家Arash Afraz说。脑研究和主要作者的论文描述在国家科学院院刊的研究。

Afraz说,这项实验标志着在理解特定神经元与灵长类动物行为之间的联系方面迈出了一步。 “你实际上必须扰乱那个神经元的激活,看看你能否影响行为,”他说。 “如果发生这种情况,这意味着这些神经元是该特定行为的因果链的一部分。”

Afraz补充说,通过仔细研究灵长类物体识别,该研究还可以帮助开发可能需要与IT皮层直接接线的视觉假体。更广泛地说,了解光遗传神经沉默所需的光照水平也有助于开发颞叶癫痫患者的植入治疗。 “我们可以在皮层植入皮层,当癫痫发作开始时自动开启,并用光使皮层沉默,”Afraz说。

该研究的共同作者是神经科学教授,麻省理工学院脑与认知科学系主任James DiCarlo和生物工程与脑与认知科学副教授Ed Boyden,他的研究小组开发了用于研究的光遗传学工具。

击倒神经元

在二十世纪八十年代,科学家们首先假设FD神经元,研究记录了神经活动中响应人脸图像的尖峰。 “但是,我们[在这些神经元的激活和面部辨别之间从来没有过清晰的机械联系,而不是脸部检测,”Afraz说。

对于PNAS论文,麻省理工学院的研究人员训练了两只猴子,以大约90%的准确度识别性别面孔的图像。为此,他们在屏幕的中间注视点的左侧或右侧显示具有不同特征的男性和女性脸部图像。然后,他们在屏幕的顶部和底部显示两个点;如果脸部是女性,猴子会看到顶部的点,如果是男性,猴子会看到底部的点。

研究人员随后测量了猴子IT皮层中的神经活动,定位了FD神经元最多且最不集中的一些子区域。接下来,他们向高和低FD亚区注射由Boyden小组设计的病毒传递蛋白,称为ArchT,它在光照下抑制神经活动。

一个月之后,这些猴子在40次不同的会议中观看了1600张男性和女性脸部的灰度图像,同时研究人员向ArchT治疗区域发送了随机脉冲的绿光。研究人员发现,仅抑制1毫米高FD亚区 - 不是低FD亚区 - 损害了动物正确识别性别面部的能力,平均约2%。

Afraz说,将微小的神经元簇与识别性别的感知能力联系起来表明这些神经元负责处理性别化的面孔。 Afraz解释说:“无论信号在大脑中的编码更明确,该部分似乎都直接对行为做出更多贡献。” “如果我们知道一张脸的性别信息在一小部分皮层中被更加明确地编码,那么敲掉皮质的那一点会对行为产生更大的影响。”

新的发现途径

虽然他的实验室已经对视觉处理进行了20年的研究,但DiCarlo指出,“与开发尖端工具的Boyden的这种合作,为这一重大进步打开了大门,并为整个新发现道路打开了大门。”

尤其是,作为光遗传学首次在灵长类动物中诱发行为变化的文献记载之一,该研究还表明了使用它来研究灵长类动物的视觉和行为的可能性,Boyden说。例如,与传统的神经抑制方法相比,光遗传学工具可以在短时间内将微小的神经元集群归零,这可以更好地查明特定的神经元作为行为的驱动因素。

Boyden说:“我们正在研究大脑的实际电路以及涉及辨别[脸部之间]的确切神经元。” “这些工具提供比其他任何神经摄动方法更高的时间和空间分辨率。”

斯坦福大学神经生物学教授罗伯特纽索姆说,这项研究“在一系列非常具有挑战性的实验中解决了系统神经科学中的一个迷人问题”,它利用光遗传学和药物抑制技术。

“这个,”他补充道,“这是一个强大的证明,即面部检测神经元调节识别脸部的感知能力 - 这是一个非常酷的结果。”

该研究由美国国立卫生研究院资助。

发表:Arash Afraz等人,“面部神经元空间簇的光遗传学和药理学抑制揭示了它们在面对性别歧视中的因果作用”,PNAS,2015; doi:10.1073 / pnas.142332811

来源:麻省理工学院新闻Rob Matheson

图片:iStock(由麻省理工学院新闻编辑)