大脑的变化使精细的视觉辨别学习成为可能

这项由马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所的第一作者 Joseph Schumacher 博士和资深作者 David Fitzpatrick 博士领导的研究建立了一种研究大脑感知学习的变革性方法。研究人员在几天内对大量单个神经元的活动进行成像，以跟踪在学习视觉辨别任务时发生的变化，并在一种新的动物模型树鼩中进行这些实验。

树鼩是一种小型哺乳动物，具有类似于人类的视觉特性，包括高度的视敏度和大脑中视觉响应神经元的类似有序空间排列。正如研究人员所展示的，这些动物还可以学习复杂的行为任务，使其成为理解经验如何塑造视觉感知的理想选择。在这项研究中，训练树鼩以区分高度相似的视觉图像：相同的黑线仅在方向上发生微小变化(22.5 度)。在任务中，以一个方向呈现线条会得到一滴果汁奖励。几天后，树鼩学会了区分两个相似的视觉图像，

科学家们将这一行为任务与 V1 神经活动的测量相结合，V1 是视觉处理必不可少的大脑区域。该区域的神经元被视觉输入的特定特征激活，例如明暗边缘的方向。单个神经元对特定的边缘方向表现出“偏好”，对这些方向反应最高的活动，对远离首选方向的边缘的活动逐渐降低或没有活动。通过这种方式，具有不同方向边缘的视觉场景会激活特定的神经元子集，以生成编码视觉感知所需信息的神经活动模式。

舒马赫及其同事发现，树鼩的视觉辨别学习伴随着两个视觉图像诱发的神经活动模式差异的增强。这主要是由于相对于非奖励方向的奖励刺激方向的呈现，神经活动量的增加。但这不仅仅是神经元对奖励刺激的反应普遍增加。当科学家们更仔细地检查这些变化时，他们发现这是由一个非常特殊的神经元子集的活动变化所介导的：这些神经元的方向偏好对于区分奖励刺激和非奖励刺激的方向是最佳的。

为了充分了解学习对视觉感知的影响，作者接下来研究了改善视觉辨别力的神经元活动的变化是否在学习的任务环境之外持续存在。有趣的是，他们发现神经元的变化不仅持续存在，而且伴随着受过训练的树鼩进行其他辨别能力的变化。这包括对某些刺激方向的增强和对其他刺激方向的损害——考虑到这一特定神经元子集的反应变化，行为变化正是预期的。

“这项工作展示了影响视觉刺激感知的神经元活动的特定经验驱动的变化，以牺牲其他相关歧视为代价增强了与任务绩效相关的歧视，”第一作者乔舒马赫解释说。现在，该实验室已着眼于将这种方法与新技术相结合，以解锁多种神经元中发生的序列和变化以调解知觉学习。通过在树鼩的视觉系统中探索这些问题，菲茨帕特里克实验室的科学家们正在发现关于感知学习的基本新见解，这可能会影响我们对广泛的学习障碍的理解。

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