注意力背后的警觉神经元
作者: mints 编译 / 1083次阅读 时间: 2020年8月27日
标签: 神经元 注意 视觉刺激激活 视觉刺激抑制
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研究人员仔细检查了大脑皮层第6层(也就是最深一层)的神经元,以揭示它们在不同行为状态下对感官刺激的反应。

想象一下,您正在参加一个讲座或会议,积极地做着笔记,并专注于每一个话题,渴望尽可能多地吸收听到的内容。然后,你开始走神,思绪飘散。虽然您还在听,但是你已经听不进去,当然也不知道别人在说什么。你变得昏昏欲睡,眼皮开始下垂,不再思考、开始入睡。

尽管大多数人都很熟悉这种情况,但是人们仍旧不明白我们的大脑为什么会走神。科学家还没有找到这背后的真正原因。


大脑皮层的最深处

先前的研究认为,大脑中的不同的结构调节着我们的注意力广度,其中一个结构位于大脑皮层最深处的第6层。

我们知道,大脑皮层是人类和其他哺乳动物大脑的最外层。它是由高度关联的、具有特定功能的感官区域、运动区域和联想区域组成的。我们的抽象思维能力,外部世界的内部模型,以及有意识的感知都来自大脑皮层。

“我们知道大脑皮层的第6层以一种与行为状态相关的方式调节着我们与外界的联系。”冲绳科技研究生大学光学神经成像部门的Sigita Augustinaite博士解释说,“这与我们为什么会在某些情况下可以完全有清醒的意识,以及为什么当我们感到昏昏欲睡、注意力会突然转移有关。但这是大脑中一个非常难研究的区域。”

在这项发表在《当代生物学》上的研究中,Augustinaite博士与领导该研究小组的Bernd Kuhn教授合作。他们使用了双光子成像技术检测了老鼠视觉皮层第6层的神经元活动。这是第一次对第6层神经元的清醒和行为进行研究。

Journal Reference: Sigita Augustinaite, Bernd Kuhn. Complementary Ca2 Activity of Sensory Activated and Suppressed Layer 6 Corticothalamic Neurons Reflects Behavioral State. Current Biology, 2020; DOI: 10.1016/j.cub.2020.07.069

神经元是一种特殊的细胞,它能够将信息传递给身体周围的其他神经细胞和肌肉。神经元在大脑中形成网络,通过电化学信号相互交流。鉴于神经元的重要性,深入了解神经元的活动对于理解我们的大脑是如何工作的至关重要。

实验中的老鼠被放置在一个固定而舒适的位置,并周期性地显示不同种类的视觉刺激。它可以自由地奔跑、坐下、梳理毛发甚至睡觉,双光子成像技术全程监控了大鼠大脑深处的细胞活动情况。

为了确定大鼠的警觉性,研究人员还记录了大鼠大脑中的电活动(或脑电图),以及脑电活动的运行速度和瞳孔大小。研究者在老鼠处于不同行为状态的时,都能够实时观察到数百个神经元对不同感觉条件的反应。


2、三种神经元群

研究人员发现了三种对视觉刺激有不同反应的神经元群。

大约三分之一的神经元被归类为视觉刺激激活(VSA visual stimulus activated)神经元。当没有视觉刺激时,这些细胞是不活跃的,但当老鼠受到刺激时,它们就会被激活。

其他神经元则相反。他们在没有视觉刺激的情况下也会自发活动,但是一旦有刺激出现,活动就消失了。这些被归类为视觉刺激抑制(VSS visual stimulus suppressed )神经元。

还有一群安静的神经元。这些神经元在实验中没有任何活动。但是,正如Augustinaite博士解释的那样,它们可能只是没有表现出任何活动,因为没有提供正确的刺激来激活它们。Augustinaite博士说:“有一种可能性是,如果显示了正确的刺激,那么这些所谓的安静神经元就会开始扮演视觉刺激激活(VSA)神经元的角色。”


3、注意力的内在机制

大多数VSA和VSS神经元在小鼠最警觉时最活跃,并且随着小鼠睡眠的加重,它们的活动逐渐减弱。然而,情况并非总是如此。一些神经元,尤其是在VSS群体中,在低警觉性时最活跃——当老鼠昏昏欲睡或睡着的时候。

有趣的是,虽然大多数神经元并不区分运动状态和静止状态,但是另外一些神经元却有,即,有些神经元只在运动时活跃,而另一些则只在静止期活跃。事实上,如果这项研究显示了一件事,那就是并不恒常。相反,第6层的神经元是多样的和动态的。

“这就是我们认为的第6层调节正在发生的事情,”Augustinaite博士说,“这些不同的神经元群的活动是相辅相成的。”

例如,如果有一个视觉信息流,VSA神经元会将信息从皮层外发送到大脑的其他部分。但如果天黑了,这些皮层下的区域仍然需要知道皮层发生了什么。所以,VSS神经元接管了。

第六层神经元的活动调节着从感觉器官到大脑皮层的信息流,因此它是一个人集中注意力或失去注意力的关键因素之一。

在第6层中还有很多研究要做,以确定这个回路如何影响我们的注意力广度和不同的疾病,如注意力缺失、自闭症或精神分裂症,但Augustinaite博士强调说,如果我们想了解我们的脑中发生了什么,我们必须研究清醒者和行为正常的受试者。

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