唐世明课题组在 eLife 发表论文揭示猕猴初级视皮层神经元对自然刺激的超稀疏表征

北京大学生命科学学院及麦戈文脑科学研究所唐世明课题组近日在 eLife 在线发表论文,利用该课题组最新发展的清醒猴双光子成像技术,发现初级视觉皮层 V1 神经元对自然图片的超稀疏表征。

大脑感觉系统信息处理的一条基本原则,是通过减少冗余来提高编码效率,感觉神经元表征的稀疏性也就反应其编码效率。但是长久以来,由于缺乏有效的技术手段,对感觉皮层神经元群体编码的稀疏性一直缺乏准确的定量研究,这很大程度上限制了人们对感觉皮层编码机制的理解。

唐世明研究组利用清醒猴双光子成像技术 (Neuron, 2017; Current Biology, 2018),同时观测多达 1000 个初级视皮层 V1 神经元对 2,250 个自然图片的反应,首次实现了猕猴 V1 神经元群反应稀疏性的直接测量。结果显示,对单个自然图片刺激,平均仅有千分之五的 V1 神经元有较强的反应,这比以往利用传统技术、通过间接估算出的 V1 稀疏性高一个数量级。合作者卡耐基梅隆大学 Tai Sing Lee 通过分析发现,利用这些稀疏的强反应能以较高精度解码自然图片。

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图注:猕猴初级视层对自然图片刺激的超稀疏表征。

(a, b)任意单个自然图片通常只能较好激活少数几个细胞,虽然这些细胞都是可以被适当刺激很好激活的(c)(d, e)单个刺激激活的神经元群体反应强度的分布。(f, g)单幅图片平均能较强激活 0.5%(6/1,225,4.1/982)的 V1 神经元。

这一研究成果表明,初级视皮层 V1 使用了超出传统理论预测的、更稀疏、更高效的编码方式,这将迫使我们重新思考大脑视觉信息处理的基本原理。

该项研究得到北京大学 - 清华大学生命科学联合中心、国家自然科学基金 (317301093、0525016)、北京大学 985 工程项目、国家重点研发计划(2017YFA0105201), 北京市科委项目资助。

原文链接:https://elifesciences.org/articles/33370

参考文献:

1) Tang S et al. (2018) Large-scale two-photon imaging revealed super-sparse population codes in V1 superficial layer of awake monkeys. eLife 2018; 7: e33370 doi: 10.7554/eLife.33370

2) Tang S et al. (2018) Complex Pattern Selectivity in Macaque Primary Visual Cortex Revealed by Large-Scale Two-Photon Imaging. Current Biology 28, 38–48.

3) Li M, Liu F, Jiang H, et al. (2017) Long-Term Two-Photon Imaging in Awake Macaque Monkey. Neuron, 2017, 93(5):1049.

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