과학자들이 시각을 다시 쓰는 숨겨진 뇌 회로를 발견했습니다

“이것이 이 논문의 주요 결론입니다. 표적화된 영향에 대한 표적화된 예측이 있다는 것입니다.”라고 피코워 학습 및 기억 연구소와 MIT 뇌 및 인지과학과의 Paul 및 Lilah Newton 교수이자 수석 저자인 Mriganka Sur가 말했습니다.

맞춤형 전두엽 신호 조사

Sur의 동료인 MIT의 Earl K. Miller를 포함한 과학자들은 전두엽 피질이 뇌의 더 뒤쪽 영역의 활동을 안내할 수 있다고 오랫동안 제안해 왔습니다. 해부학적 증거가 이 아이디어를 뒷받침하는 반면, 새로운 연구의 목표는 전두엽 피질이 하나의 광범위한 유형의 신호를 보내는지 아니면 대신 다른 대상 영역에 대해 고유한 메시지를 생성하는지 여부를 결정하는 것이었습니다. 수석 저자이자 Sur Lab 박사후 연구원인 Sofie ährlund-Richter는 어떤 특정 뉴런이 이러한 신호를 수신하는지, 그리고 통신이 다운스트림 처리에 어떻게 영향을 미치는지 확인하려고 했습니다.

다양한 전두엽 영역은 다양한 역할을 수행합니다

팀은 여러 가지 새로운 통찰력을 확인했습니다. 전두엽 피질의 두 영역인 안와전두피질(ORB)과 전대상피질(ACA)은 각성 및 움직임에 대한 정보를 다른 두 영역인 일차 시각 피질(VISp)과 일차 운동 피질(MOp)에 전달하는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 메시지에는 독특한 효과가 있는 것으로 보입니다. 예를 들어, 각성이 높을수록 VISp가 시각적 표현을 선명하게 만드는 데 도움이 되는 ACA의 경향이 증가했습니다. 그러나 ORB는 각성이 매우 높을 때만 영향력을 발휘했으며, ORB의 참여는 시각적 인코딩의 명확성을 감소시키는 것으로 나타났습니다. ährlund-Richter에 따르면 ACA는 각성이 증가함에 따라 뇌가 잠재적으로 의미 있는 시각적 세부 사항에 집중하는 데 도움이 될 수 있는 반면, ORB는 주의를 산만하게 하거나 지나치게 강한 자극에 대한 주의를 줄이는 역할을 할 수 있습니다.

“이 두 PFC 하위 지역은 서로 균형을 이루고 있습니다”라고 ährlund-Richter는 말했습니다. “하나는 더 불확실하거나 감지하기 어려운 자극을 강화하는 반면, 다른 하나는 관련성이 없는 강한 자극을 약화시킵니다.”

뇌 회로 매핑 및 모니터링

관련 경로를 더 잘 이해하기 위해 ährlund-Richter는 VISp 및 MOp를 사용하여 ACA 및 ORB 형태의 연결에 대한 자세한 해부학적 추적을 수행했습니다. 추가 실험에서 쥐는 다양한 대비 수준에서 구조화된 이미지나 자연주의 영화를 보면서 바퀴 위에서 자유롭게 달렸습니다. 특정 순간에 작은 공기 퍼프가 동물의 각성 수준을 높였습니다. 이러한 작업 전반에 걸쳐 연구자들은 ACA, ORB, VISp 및 MOp의 뉴런 활동을 기록했으며 특히 전두엽과 후방 영역을 연결하는 축삭을 따라 이동하는 신호에 주의를 기울였습니다.

추적 작업에 따르면 ACA와 ORB는 각각 단일 세포 클래스가 아닌 대상 지역의 다양한 세포 유형과 통신하는 것으로 나타났습니다. 그들은 또한 뚜렷한 공간 패턴으로 연결됩니다. VISp에서 ACA는 주로 레이어 6을 대상으로 한 반면 ORB는 주로 레이어 5와 통신했습니다.

각성과 움직임이 시각적 처리를 어떻게 변화시키는가

팀이 전송된 정보와 신경 활동을 조사했을 때 몇 가지 일관된 패턴이 나타났습니다. ACA 뉴런은 ORB 뉴런보다 더 자세한 시각적 정보를 전달했으며 대비 변화에 더 잘 반응했습니다. ACA 활동은 또한 각성 수준과 밀접하게 추적되는 반면 ORB는 각성이 높은 임계값에 도달한 경우에만 반응했습니다. MOp에 신호를 보낼 때 두 영역 모두 실행 속도에 대한 정보를 전달했습니다. 그러나 VISp에 신호를 보낼 때는 마우스가 움직이고 있는지 아니면 정지되어 있는지만 표시했습니다. 두 전두엽 영역은 또한 각성에 대한 정보와 소량의 시각적 세부 정보를 MOp에 전달했습니다.

이러한 의사소통이 시각 처리에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 연구원들은 ACA와 ORB에서 VISp로 이어지는 경로를 일시적으로 차단했습니다. 이를 통해 VISp 뉴런이 이러한 입력 없이 어떻게 반응하는지 측정할 수 있었습니다. 그들은 ACA와 ORB가 마우스의 움직임과 각성 수준에 따라 시각적 인코딩에 구체적이고 반대되는 효과를 발휘한다는 것을 발견했습니다.

전두엽 피드백의 특수 모델

“우리의 데이터는 PFC 하위 영역과 그 목표의 수준 모두에 특화된 PFC 피드백 모델을 지원하여 각 영역이 전 세계적으로 이를 조정하는 대신 목표별 피질 활동을 선택적으로 형성할 수 있도록 합니다.”라고 저자는 썼습니다. 뉴런.

연구팀에는 Sur와 ährlund-Richter 외에도 Yuma Osako, Kyle R. Jenks, Emma Odom, Haoyang Huang 및 Don B. Arnold가 포함되었습니다.

이 작업은 Wenner-Gren 재단의 박사후 연구원, 국립 보건원 및 Freedom Together 재단의 지원을 받았습니다.