一场持续六十年、关于哺乳动物视觉感知基本机制的科学争议现已解决。慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员成功观测到了从神经元到神经元的视觉信息流。他们的发现证实了David Hubel和Torsten Wiesel在1981年获得诺贝尔奖的模型的有效性，该模型在某些方面此前一直存在争议。

在1960年代，Hubel和Wiesel提出了一个模型，即Hubel-Wiesel模型，根据该模型，视觉感知是大脑中有序、逐步计算的结果——皮层中的特化神经元选择性地对特定特征（例如边缘或运动物体的方向）作出响应。

尽管该模型广受赞誉，但其重要方面仍存在争议：这种特征选择性是否已经起源于丘脑，还是后来在皮层中才出现？一项新研究通过分析丘脑与视觉皮层之间单个突触的信号传递直接解决了这个问题——这在以前是不可能的。

由TUM医学与健康学院神经科学研究所及慕尼黑系统神经学集群（SyNergy）的Arthur Konnerth教授、Yang Chen博士和博士生Marinus Kloos领导的研究团队，开发了一种高分辨率成像方法，用于测量完整大脑中的突触活动。他们的发现直接证实了Hubel和Wiesel模型的核心预测。新的研究结果发表在《Science》上。

“我们的结果突显了Hubel和Wiesel的见解是多么准确和具有前瞻性，”Konnerth教授说。“现代神经科学，甚至人工神经网络——仍在继续建立在其原理之上。从生物系统中学习仍然是技术创新的强大驱动力。”

TUM的研究人员究竟做了什么？

当我们看东西时，信号首先从眼睛传递到丘脑（大脑深处的一个中继站），然后从那里传递到后脑勺的视觉皮层。

在这个视觉皮层的第一个区域（称为初级视觉皮层）中，处理简单的图像特征，如边缘、对比度和方向。TUM的研究人员专门在小鼠中检查了这一部分——从丘脑到皮层这个初始视觉区域的连接。

利用双光子显微镜，研究人员可视化了活体大脑中的单个突触。他们使用了荧光蛋白，当突触传递发生时，这些蛋白会发光，使他们能够实时跟踪特定神经元接触点的活动。

同时，给动物呈现简单的视觉刺激，例如水平和垂直条纹，使团队能够绘制出哪些突触对哪些方向作出响应。

为了区分来自丘脑的直接输入和皮层内部产生的信号，研究人员使用了光遗传学。他们为某些神经元配备了光敏蛋白，从而可以用光暂时“静默”部分皮层。这样，他们可以确定突触活动是持续存在（表明是丘脑输入）还是消失（表明是皮层内部处理）。

这种方法使团队能够分别量化丘脑-皮层输入和皮层-皮层输入。结果很清晰：从丘脑到达的信号很强，但相对于方向而言基本是非特异性的。相比之下，方向选择性（例如区分水平线与垂直线）仅通过皮层回路内的处理才出现。

这些发现解决了一个长期存在的争议。新数据直接表明，在哺乳动物中，皮层是从广泛调谐的输入中逐步构建出这一信息的——正如Hubel和Wiesel所预测的那样。

对神经科学及其他领域的影响

除了证实一个基础模型外，这项研究还引入了一种用于分析突触功能的多功能方法。据研究人员称，该技术可应用于广泛的神经元类型，并可能有助于识别阿尔茨海默病等神经系统疾病中的功能失调回路。

该研究还揭示了突触类型之间的一个根本差异。皮层内的突触（皮层-皮层突触）表现出与学习和可塑性相关的钙信号，而来自丘脑的突触（丘脑-皮层突触）则没有。

“这是一个出乎意料的发现，”Konnerth解释说。“它表明并非所有突触都具有相同的适应和学习能力，这挑战了神经科学中长期存在的假设。”（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Yang Chen et al, Thalamic activation of the visual cortex at the single-synapse level, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aec9923.