小腦神經計算的向量微積分:從空空間理論看浦肯野細胞群體編碼的競爭抵消機制與運動預測功能

《SCIENCE》:A vector calculus for neural computation in the cerebellum

【字體: 時間:2025年05月23日 來源:SCIENCE 44.7

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  為探究神經元如何通過活動產生行為并抵消其他神經元不良影響,研究人員以狨猴為模型,研究小腦浦肯野細胞(P 細胞)群體編碼。發現 P 細胞活動沿有效向量激活,非有效向量方向活動相互抵消,符合空空間理論,且苔蘚纖維和分子層中間神經元助力預測運動目標達成時機。該研究為小腦計算機制提供新視角。

  
過去十年間,空空間理論(null space theory)已成為分析神經元記錄的主要框架之一,但一直缺乏在大腦中直接驗證該理論的方法。Fakharian 等人對狨猴小腦的群體編碼展開研究(見 Churchland 和 Sawtell 的 Perspective)。浦肯野細胞(Purkinje cells)表現出由掃視誘發的簡單棘波(simple spike)活動模式,這些模式沿有效向量(potent vector)激活時效率最高。盡管存在這種調諧特異性,大多數浦肯野細胞在所有掃視過程中均會發放簡單棘波。對簡單棘波活動的比較表明,與有效向量相比,單個浦肯野細胞在非有效向量(nonpotent vector)方向上的活動會相互抵消,這與空空間計算理論的原理一致。通過中間神經元相互作用的苔蘚纖維(mossy fiber)輸入使浦肯野細胞群體能夠預測目標導向行為的關鍵運動學特征。

空空間理論預測,神經元產生棘波不僅是為了產生行為,也是為了防止其他神經元對行為產生不良影響。本研究表明,這種競爭抵消(competitive cancellation)對于理解小腦的計算機制至關重要。在狨猴中,我們為每個浦肯野細胞(P cell)確定了一個向量,其棘波沿該向量會使眼睛產生位移。兩個不同浦肯野細胞的棘波會產生其向量的疊加。在最終的群體活動中,若其貢獻與預期運動垂直,則棘波活動會被抵消。苔蘚纖維提供了運動指令和運動目標的副本,分子層中間神經元(molecular layer interneurons)對這些輸入進行轉換,使浦肯野細胞群體能夠預測運動何時到達目標并應停止。

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