整合双光子等先进技术解析大脑，皮质反馈在视觉行为中的作用机制
新皮层的感官处理需要前馈（feedforward）和反馈（feedback）信息流。然而，我们对介导反馈影响的回路和细胞机制的了解有限。
近日，Mehmet Fişek，Michael Häusser团队使用小鼠的远程全光学连接映射（long-range all-optical connectivity mapping）来表明，lateromedial higher visual area（LM）到初级视觉皮层（V1）的反馈影响是空间组织的（spatially organized）。双光子钙成像揭示V1锥体神经元的非线性树突整合。新皮层反馈连接和非线性树突整合支持预测和上下文交互。
他们的成果“Cortico-cortical feedback engages active dendrites in visual cortex”发表在最新一期的Nature杂志上。
研究皮质-皮质反馈的影响需解决两个问题：映射连接性和了解反馈的单元级整合。反馈通过顶端树突进行非线性处理。作者关注V1和LM之间的反馈，研究投射到其他皮质区域的5层内在电生成神经元。
【本篇文章中专有名字较多，可能有不准确的地方，请批评指正】
反馈的回路组织
为了揭示跨区域的远程功能连接，作者使用了同步双光子光遗传学（simultaneous two-photon optogenetics）和钙成像技术（图1a），以细胞级别的精度进行了研究。通过共同表达钙指示物GCaMP6s和靶向兴奋性视蛋白C1V1(t/t)-Kv2.1（图1b），作者能够描绘V1和LM之间的连接。他们使用全息光刺激和钙成像同时记录了两个皮层区域的神经元活动（图1c）。
研究发现，在局部和前馈连接中，光刺激引起了空间受限的促进和局部抑制（图1d，e，f）。然而，反馈连接显示出与视网膜位置相关的组织，促进和抑制响应者的分布也有所不同（图2c，d）。
这些结果表明，反馈连接的功能影响取决于源和目标之间的视网膜对齐情况。当连接在相同的视觉空间部分时，反馈影响更具抑制性；而当连接在相互偏移的刺激部分时，反馈影响更容易产生。
图1.使用同时双光子光发生刺激和双光子钙成像，对小鼠视觉皮层中的内层功能连接进行中尺度映射
图2.皮质-皮质反馈相对抑制地形匹配的中心位置，并相对促进不匹配的周围位置
周围刺激唤起树突事件
反馈的影响不仅与连接性相关，还受到受体神经元突触整合的影响。顶树突作为反馈途径，其整合过程复杂。尽管顶树突与细胞体远离，阻碍被动整合，但其独立运作特性使其能够产生与钙离子相关的再生事件，放大反馈影响、调控阈值和增益控制。对于在视觉皮层中触发这些事件的条件的确定至关重要。根据作者对反馈连接性的观察，他们预测V1中的顶端树突簇更多地接收来自视网膜周围的反馈，并通过再生事件增强对神经元输出的影响。
为了验证预测，作者开发了一种双重重组酶法（a dual-recombinase approach），超稀疏标记第5层IT神经元的树突（图3a）。通过测量单个神经元的远端树突簇钙信号，作者最小化了来自其他源的影响。
结果显示，视觉刺激能够触发局部树突的钙瞬变，其空间范围比单个树突事件广泛，但不及全局钙事件。这些局部事件涉及多个刺激和树突分支，同一分支的近端未被激活（图3b）。这些发现支持周围刺激更容易招募反馈和局部钙事件的假设，进一步揭示了V1顶端树突中感官上下文的局部和非线性整合过程。
图3.招募促进反馈的视觉刺激推动了顶端簇树突的局部钙事件
反馈有助于树突状信号
为了研究功能连接和树突招募之间的关系，作者探索了反馈对顶树突的非线性整合的影响。通过将LM神经元的双光子刺激与V1中的顶树突成像相结合（图4a），他们发现LM神经元的刺激降低了顶树突的平均钙信号（图4b，c，d）。LM介导的反馈抑制是密集和非特异性的，而反馈促进则较为稀疏。
进一步的实验显示，LM输入可以触发V1特定锥体神经元顶端簇的局部树突钙事件。此外，LM输入还能增强受体树突分支中的钙信号（图4i，j）。
总体而言，作者的研究揭示了反馈的几个特点，包括密集的抑制和稀疏的促进，以及对局部树突钙信号的驱动作用。这些结果为LM反馈与顶树突的非线性整合之间的因果关系提供了支持。
图4. LM反馈驱动V1中分支特异性局部树突钙信号
行为调节反馈和树突
为了研究反馈和树突是否受行为状态调节，作者探究了运动对视觉反应的影响。结果显示，运动增强了谷氨酸和GABA信号。对小刺激，运动抑制了顶树突活动，而对大刺激则无影响。运动减少了小刺激的躯体和树突反应，同时增强了大刺激的反应。基底树突可能在增强对大刺激的反应中起作用。通过双色双光子成像，作者观察到运动过程中，顶端输入减弱，基底输入增强。这些结果揭示了行为状态对反馈和树突的调节机制。
结 论
作者的研究揭示了关于皮质反馈的新发现，涉及组织结构、非线性树突整合和其在大脑内的相互关系。作者发现了视觉皮层中反馈的特殊组织模式，它在相同区域间表现为抑制中心、促进包围。相比之下，来自额叶皮层的反馈呈现出相反的模式。此外，他们还发现来自LM的反馈对V1的非线性增强起到重要作用，并且与活动行为状态相关。这些结果揭示了反馈在视觉处理中的重要性，并有助于我们理解其调控机制。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06007-6
参考文献
Fişek, M., Herrmann, D., Egea-Weiss, A. et al. Cortico-cortical feedback engages active dendrites in visual cortex. Nature (2023).
编译作者：Ayden（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
