Cell：科学家们第一次确定了大脑运动源分离问题的精确机制

时间：2025年2月26日

来源：AAAS

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神经科学家已经发现大脑是如何区分外部世界中发生的视觉运动和观察者在其中移动所引起的视觉运动的。长期以来，研究人员一直想知道大脑是如何实现这种关键的感官区分的，这被称为“运动源分离问题”。这是科学家们第一次确定了精确的机制。

发表在《细胞》杂志上的一项研究概述了伦敦大学学院塞恩斯伯里威康中心（SWC）的科学家们是如何开发出一种新的实验装置来分离运动的基本元素的。他们发现，小鼠初级视觉皮层中的单个细胞使用运动和前庭信号来确定视网膜上的视觉流是由于外部世界的视觉运动引起的，还是由动物的运动引起的。

“每天我们都理所当然地知道我们是否在移动，或者我们周围的东西是否在移动。但是没有人知道大脑是如何做到这一点的。我们想设计一个实验，让我们能够解决这个运动分离问题，”SWC副主任、该研究的主要作者Troy Margrie教授说。

与SWC FabLab的工程师一起，该团队开发了一种名为Translocator的独特新系统。这个实验装置包括一个被动跑步机，小鼠可以选择在上面跑步，同时观看屏幕上显示的虚拟移动走廊。整个跑步机设备也会沿着轨道移动，与鼠标选择的运行速度同步。

“我们建立在虚拟现实设置的基础上，在这里，动物在跑步机上跑步，同时显示与它的运动相关联的视觉流。但除此之外，我们增加了向前方向的平移，这样动物就可以根据自己的奔跑速度实际体验到运动（即从A移动到B）。这就是为什么我们称它为易位器，”SWC Margrie实验室的高级研究员，论文的第一作者Mateo Velez-Fort博士解释说。

这个实验装置使研究小组能够分离出运动的基本元素。例如，研究人员记录了一只活跃奔跑超过1.2米的小鼠的速度分布。然后，他们把小鼠放回到开始的位置，并在阻止跑步机的情况下重放同样的速度，这样小鼠就被被动地移动，而不是主动地移动。这使得研究小组获得了一个纯粹的前庭信号，与跑步和前庭信号的组合相同。

科学家们还通过让小鼠在跑步机上跑步，同时保持整个设备静止不动，从而获得了一个纯粹的运动信号，这样小鼠就不会被翻译。

“Translocator的设置使我们能够获得纯运动信号，纯前庭信号，以及运动和前庭信号的组合。这意味着我们第一次能够把这些东西分开，”玛格丽教授解释说。

研究人员使用神经像素探针（Neuropixels probe）——最先进的同时神经记录电极——记录了初级视觉皮层，并观察到大约50%的细胞，特别是那些位于深层5/6层的细胞，对视觉流、运行和翻译做出了反应。

“我们想知道这种输入的聚合是否是皮层的一般规则，因此我们也记录了其他区域，包括体感皮层和脾后皮层，在黑暗中。我们发现运动和前庭信号在大脑的许多地方汇聚，所以这似乎是许多皮质区域组织的基本特性，”Velez-Fort博士解释说。

以前认为，感官表征必须被发送到大脑的其他部分，与用于导航的内部线索相结合。相比之下，SWC的研究人员发现，大脑皮层的主要感觉区域可以直接进入动物的内部运动状态。

令人惊讶的是，研究小组还发现，初级视觉皮层神经元记录的活动在自然和非自然场景下都非常相似。当动物在奔跑和移动时，观察到的神经活动数量与小鼠在奔跑但不被移动时相同。这使得研究人员提出跑步一定抑制了翻译输入。他们用与Claudia Clopath教授合作开发的数学模型验证了这一理论，他们发现该模型支持这一现象。该模型还预测，如果跑步速度与头部的实际速度不一致，那么前庭通道就会发出错误信号。这一预测随后被额外的实验所证实。

这项工作表明，包括初级感觉区域在内的许多皮质区域都在不断地更新并接收来自其他模态的反馈。在前庭系统的情况下，它被用来生成一个在线内部参考框架，以提供有关观察者的运动状态的上下文。