我们的听觉系统如何在声音中代表时间？在PLOS计算生物学上发表的一项新研究研究是听觉皮层神经活动是如何表现出时间声学模式的，听觉皮层是大脑的主要中枢，用于感知声音。伦敦大学学院(University College London)的丹尼尔?本多尔(Daniel Bendor)博士描述了一种新方式：即听觉皮层的神经元可以根据兴奋性和抑制性输入混合方式来编码时间信息。当你按下油门时车就会开动，踩下刹车时车就会停下来。同样地，神经元的活动依赖于从其他神经元接收的兴奋和抑制。但这些输入如何结合在一起，使神经元“前进”或“停止”，也可以传递信息，Bendor博士描述了神经元的兴奋性和抑制性输入是如何在一个声音中编码时间模式。
博科园-科学科普：改变这些输入的时间和强度可以产生速率或时间神经代码，有效地转换大脑用来描述声音中时间模式的“语言”。了解大脑是如何产生这些神经编码的，可以开发出最先进的神经假体设备，更接近于模仿大脑通常使用的神经编码模式。大脑在对周围世界的视觉信息进行编码方面做得非常出色，提供了关于快速变化的环境的几乎即时报告，这对指导我们的行为至关重要。大脑编码机制的组成部分是神经元的存在，这些神经元选择性地对特定的视觉特征做出反应，产生的电活动可靠地信号属性，如边缘的方向、它们在空间中的位置和它们的运动方向。马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所(Max Planck Florida Institute for Neuroscience)的科学家们利用新工具探索神经回路用来产生选择性反应的连接原理，对大脑功能的基本机制获得了大量新见解。
听觉皮层利用神经兴奋和抑制来编码声音中的时间模式，就像旋律产生的节奏。图片：Daniel Bendor
理解神经回路如何建立反应选择性是一个巨大的挑战，因为单个神经元接收来自其他神经元的数千个突触输入，而这些输入在它们的反应特性和如何影响神经元方面可能有所不同。有些输入是兴奋性的，使神经元更容易产生电信号，而另一些则抑制，从而降低神经元产生信号的可能性。不知何故，一个神经元将所有这些兴奋性和抑制性的突触输入整合起来，产生选择性的反应，这是一个神秘的“输入/输出转换”，一直是研究的热点。先前的研究表明，有一些简单的规则可以控制兴奋性和抑制性的功能连接。兴奋性连接出现的一个突出的规律是“喜欢与喜欢相连”。例如在视觉皮层中，有选择地对特定运动方向作出反应的神经元被认为是从其他有选择性地对相同运动方向作出反应的神经元接收其兴奋性输入。一个同样重要的规则被假定为抑制输入：抑制输入的特性与神经元的兴奋输入的特性相匹配。
由于“匹配规则”，抑制输入被认为可以调节兴奋输入的强度，但不能改变神经元通过兴奋输入传递给它的选择性。David Fitzpatrick实验室的研究人员Daniel Wilson博士和Benjamin Scholl博士，已经积累了多项证据来挑战这两项原则，为视觉皮层的回路如何使用激发和抑制来产生神经反应，从而对物体的运动方向进行选择，研究发表在《自然》上。MPFI研究人员首先需要更好地了解神经元兴奋性突触输入提供的方向选择性。为了做到这一点，他们在体内用双光子显微镜来表征单个兴奋性突触输入对神经元树突的方向选择性，并与神经元整体的方向偏好进行比较。令人惊讶的是，发现违背了传统思维。尽管许多突触都与神经元的整体方向偏好一致，但还是有很多突触对相反的运动方向(零)做出了最好的反应。
子阈值方向选择性是在联合调谐时从突触电导中遗传而来的。励磁和抑制的差分调谐可优先抑制励磁，提高阈下选择性。通过微分调谐，抑制可以是双向的，也可以是反向的，以实现相对于激励的方向。图片：Max Planck Florida Institute for Neuroscience
?同时还注意到神经元方向选择性的强度与其兴奋性突触输入所预测的明显不匹配。神经元所表现出的方向选择性程度，明显高于从如此广泛的兴奋性输入中所期望的程度。为了进一步探究导致神经元兴奋性输入和输出之间令人困惑的差异的因素，转向了一组不同的实验，使用体内全细胞膜片钳电生理学。这项技术使测量对神经元反应有贡献的突触输入的总和以及比较兴奋性和抑制性突触输入的贡献成为可能。激励输入的结果与双光子成像数据一致，确定了优先方向和零方向的大量激励输入。抑制的结果给团队提供了对传统思维的另一个挑战，以及对令人困惑的输入/输出差异的潜在解释：抑制输入的调整与兴奋输入不匹配。对于许多神经元来说，抑制的强度在运动零方向是最大的，这表明兴奋性突触输入的零方向是被选择性抑制的。
这些发现预示着皮质抑制神经元对兴奋性神经元产生大量的突触输入，而兴奋性神经元倾向于相反的运动方向。研究人员使用了两种新的方法来检验这个问题，首先绘制出功能定义抑制神经元的解剖连接，然后使用光遗传学(利用光选择性激活抑制神经元)将抑制输入的来源映射到单个兴奋神经元。与此同时，这些技术也证实了兴奋性神经元的抑制连接通常来源于倾向于相反运动方向的神经元。除了解开负责方向选择性的机制外，这些发现还强调了神经回路整合兴奋性和抑制性输入的灵活方式，以构建对神经编码至关重要的各种选择性响应特性。“喜欢”并不总是与“喜欢”联系在一起，“兴奋”也不总是与“抑制”相匹配，但你可以指望大脑回路已经进化出了确保高水平功能表现所需的输入组合。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《PLoS Computational Biology》,《Nature》｜研究/来自：Public Library of Science，马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所
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