全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 5期
2008年 10月
Vol. 20, No. 5
Oct., 2008
视觉编码的快速学习
丹　扬
（加州大学伯克利分校）
摘　要：活动依赖的神经可塑性在视觉皮层信息处理过程中起着很重要的作用。该文将讲述几个关于
视觉刺激引起皮层反应发生快速变化的研究工作。在体膜片钳的实验结果表明，将视觉刺激与能够诱
发单个视皮层神经元发放动作电位的电刺激相偶联可以改变神经元的感受野特性。单电极和多电极胞外
记录的实验结果显示，反复地给予自然图形电影刺激，不仅能增加视皮层神经元反应的可靠性，而且
能造成之后的自发活动中存在“记忆的痕迹”。最后，用电压敏感染料成像的方法对群体细胞活动进
行考察，结果提示视觉活动之后的皮层回放可能是由皮层波介导的。
关键词：突触可塑性；感受野；反应可靠性；视觉
中图分类号：Q436; R339.14　　文献标识码：A
Rapid learning in cortical coding of visual stimuli
DAN Yang
(University of California, Berkeley, USA)
Abstract：Experience-dependent plasticity plays crucial roles in visual cortical processing. I will present
several studies on rapid changes in cortical responses induced by visual stimuli. In vivo whole cell recording
shows that pairing visual stimuli with spiking of single cortical neurons can change the receptive field property
of the neuron. Single and multielectrode recordings show that repeated presentation of natural stimuli induces
not only a rapid improvement in cortical response reliability, but also leaves a memory trace in subsequent
spontaneous activity. Finally voltage-sensitive dye imaging of population cortical activity suggests that the
reverberation of recent visual experience may be mediated by cortical waves that are prominent in spontaneous
brain activity.
Key words: spike-timing dependent plasticity; receptive field; response reliability; visual
文章编号 ：1004-0374(2008)05-0692-03
收稿日期：2008-07-21
通讯作者：E-mail: ydan@berkeley.edu
1949年，Donald Olding Hebb 在《行为的组织》
(The Organization of Behavior)一书中提出了一个有关
学习与记忆的神经基础的重要假设，基本的观点：
短时程记忆是由神经元之间的反复活动而引起的；
长时程记忆是由突触的长时程修饰过程所介导。
1　视皮层脑片上的
STDP活动时序依赖的突触可塑性(Spike-timing
dependent plasticity, STDP)。前人的研究结果显示，
当突触前神经元比突触后神经元先活动时，会引起
突触强度的长时程增强(LTP)，反之，当突触后神
经元比突触前神经元先活动时，会引起突触强度的
长时程减弱(LTD)。 其中很重要的一点是, 只有在突
触前后神经元活动的时间间隔在 50 ms以内才能发
生LTP和LTD。这种不对称的时间窗口在很多部位
的突触都存在，包括视觉皮层。
选择大鼠视觉皮层的急性脑片为实验材料，主
要研究皮层第 2、3 层的水平联系。研究第 2、3
层的神经元主要有两个原因，一是这些神经元有着
非常精致而复杂的轴突和树突；二是这些水平连接
在大鼠成年后仍然有较高的可塑性。记录第 2、3
层的锥体神经元，使用胞外刺激电极刺激水平连
接，然后进行可塑性研究。研究结果同样呈现出不
对称的时间窗口，突触前 - 后的时序活动将引起
693第5期 丹　扬：视觉编码的快速学习
LTP，突触后 -前时序活动则引起 LTD，从而验证
了体外培养的神经细胞上的结果。
2　在体情况下的 STDP
为了研究在体情况下的 STDP，我们在在体情
况下重复了与在脑片上类似的实验。首先对大鼠脑
部进行开颅手术操作，然后在V1区进行全细胞式
膜片钳记录，同时可以给予皮层电刺激，这样就能
很好地像脑片实验那样，在在体情况下实现对皮层
的操作。在体研究的另一个优点是可以给予大鼠比
较生理的视觉刺激。
值得一提的是，研究大鼠视觉系统的工作还很
少，有人认为大鼠的视力不好，只能看清楚近处的
东西。而我们却将给视觉刺激放在距离大鼠眼睛前
方几寸的地方，并发觉这种刺激距离的效果很好。
首先研究了 3周龄的大鼠，它们视皮层神经元
的感受野(receptive field)非常大。研究人员把屏幕
放在距其眼睛很近的位置，这样屏幕就可以涵盖其
大部分视野。他们将屏幕分为四个条状区，其中一
个区域的光条能引起大鼠很明显的视觉反应，当光
条出现在该区域时，皮层神经元的反应大且快速，
而在其他区域时，反应小且相对慢。研究人员选择
其中一个区域给予视觉刺激，同时电刺激神经元使
之产生动作电位。通过控制电刺激的时间，使动作
电位发生在视觉反应之前或之后，正如同脑片上的
突触前 -后，或者突触后 -前的活动时序一样。研
究发现，当使动作电位出现在视觉反应之后时，视
觉反应发生了长时程的增强；而当动作电位出现在
视觉反应之前时，视觉反应的幅度比之前相比有所
减小。实验结果验证了在体情况下视觉系统 V1神
经元的 STDP。
其次为了验证成年动物是否与 3周龄的大鼠也
存在着类似的可塑性，对 2个月年龄的大鼠重复了
以上实验，其结果发现，很多细胞仍然表现出了
LTD, 但是 LTP很难被诱导。对此，研究者们的认
为可能成年动物中抑制通路更强大，以及NMDA受
体的组成亚型发生转变，从而抑制了 LTP的诱导。
LTP在成年动物上比较难诱导，这一结果是跟很多
其他研究结果一致的。
3　ACh在可塑性中的作用
研究小组的另外一个研究兴趣在于试图去寻找
一些操作可以提高成年动物的可塑性。目前已经知
道的一种可以有效地提高成年可塑性方法是在关键
期的一些操作，这些操作；另外一个可能的方法是
通过神经调质(neuromodula tor )，就像Michael
Merzenich 实验室所揭示的那样，给予青年期大鼠
反复的特定频率的声音刺激可以扩大该频率在皮层
的代表区，而这个现象在成年大鼠上不会发生。但
是，如果偶联声音刺激和基底核(nucleus basalis)电
刺激，同样可以在成年大鼠听皮层上扩大某频段的
代表区。基底核位于后脑，提供弥散的胆碱能投射
到皮层。乙酰胆碱(Acetylcholine, ACh)长期以来被
认为是跟觉醒有关。胆碱能调制对于成年可塑性也
是很重要的。有报道称乙酰胆碱能够调节细胞内信
号通路，使得NMDA受体磷酸化，从而改变 STDP
的幅度甚至极性。
为了研究基底核的乙酰胆碱能调制对皮层的影
响，用电极对基底核给予电刺激，同时在视皮层记
录其结果发现在基底核刺激之后神经元反应的可靠性
(reliability)有了显著性的提高。在基底核刺激之前，
电影刺激引起的神经元电活动比较随机，即播放同
一段电影，神经元每次的放电活动都不太一样。但
是在基底核刺激之后，神经元的放电活动变得非常
可靠，每一次电影播放到某一情节时，这个神经元
就开始放电，换另外的电影刺激时这个现象依然存
在，而且基本上所有的细胞都呈现出这种特性。
Michigan Polytrode是一种高密度的硅电极阵
列，利用它可以进行高密度的采样，同时记录到一
个功能柱内大量神经元的活动。除了反应可靠性的
增加外，还观察到在基底核刺激之后神经元活动的
簇放电(burst spiking)模式减少了很多，意味着神经
元放电活动被去同步化(desynchronization)了。
如果用阿托品(atropine)来阻断毒蕈碱型乙酰胆
碱受体(muscarinic ACh receptor)，基底核刺激不再
能引起放电活动的去同步化，但仍可以引起反应可
靠性的增加。基于以上的实验结果，我们认为，基
底核刺激可以导致两种效应，乙酰胆碱作用于烟碱
型受体(nicotinic receptor)，可以提高反应的可靠
性；而作用于毒蕈碱型受体时，是跟去同步化有关
的。这些快速的变化很有可能在感觉诱发的神经可
塑性方面有着重要的作用。
4　自然刺激下的可塑性
研究小组关心的另一个问题就是可塑性是否能
发生在更加自然的情况下。为了研究这个问题，姚
海珊博士给予麻醉猫反复的自然图形的电影(natural
movie)刺激，同时观察初级视皮层神经元的放电活
动。在自然电影刺激下，细胞的放电模式很有意
思，细胞并不是一直在放电，它通常沉默一段时
间，然后似乎是电影中发生了什么有意思的事情，
细胞开始疯狂地放电，然后又开始沉默了。这种放
电行为跟稀疏编码假说(sparse coding)一致的，该假
694 生命科学 第20卷
说认为细胞不需要一直放电来编码外界信息，它可
以在大多数时间选择沉默，只有当发生了某些事件
时才开始放电。
为了看一下细胞的放电反应有多可靠。姚海珊
博士把细胞放电反应的可靠性(reliability)量化，计算
每一次的反应和其他次的平均反应之间的相关系
数，这个系数将告诉你细胞的反应有多可靠。她发
现，随着一遍一遍的电影刺激，相关系数不断增
大，虽然其中有一些波动，但总的趋势还是增大
的。这说明细胞的放电变得越来越可靠了。这个可
靠性的增加仅发生在自然电影刺激下，如果反复地
给予白噪音电影或者是闪烁光条电影的话，细胞放
电的可靠性并不会得到增加。
自然电影中包含了各种各样的复杂成分，为了
研究电影中的哪些成分引起了视皮层神经元的变
化，姚博士做了以下的分析。她仔细检查了神经元
对电影刺激的放电反应之后，发现反应可靠性的提
高总是和选择性的放电率(firing rate)的提高联系在一
起的。于是她设定一个阈值，把每个细胞对电影反
应的刺激期时间直方图(peristimulus time histogram,
P S T H )分成两组，高于该阈值的定义为事件
(event)，其余的为非事件(not-event)，在事件时间
内细胞有较高的放电概率。通过检查这两组时间内
的放电情况，研究人员发现在事件时间内细胞的平
均放电率在反复刺激后有了显著的提高。这说明反
应可靠性提高这个效应可能是由细胞选择性地提高
了对喜好刺激(preferred stimuli)的反应所导致的。
研究人员还发现神经元放电反应的稀疏性
(sparseness)也是很重要的，因为即使用很好的刺激
使神经元一直放电，也不一定会产生这个效应，必
须是那种可以让神经元有时候放电，而不是一直放
电的那种刺激。
姚博士等还用胞内记录来检测这个效应。反复
地给自然电影刺激 ，同时记录神经元的膜电位，
也观察到了相关系数的增加，这说明膜电位反应的
可靠性也是得到了提高的。
5 刺激后的皮层活动回放
为了回答这个效应可以维持多久这个问题，姚
博士等给予动物12遍的电影刺激，观察到神经元反
应可靠性的提高，然后不给任何视觉刺激，继续记
录自发的电活动。之后再给电影刺激，计算这时候
反应的可靠性，这样可以计算可靠性的提高到底可
以维持多久。他们的实验结果显示，在 6min之后
反应可靠性慢慢消退回到初始水平，说明这个效应
至少可以维持 6min。
更有意思的是，研究人员还发现，电影刺激
之后的神经元的自发活动似乎并不是随机的，它呈
现出一些模式似乎是跟电影反应相关的。为了进一
步研究这个现象，先记录一段自发的活动，可以想
象这个自发活动是随机的，然后给予动物很多遍的
同一段自然图形电影的刺激，可以记录到神经元对
电影刺激反应的电活动，然后不给任何视觉刺激，
再次记录该神经元的自发活动。现在可以计算第一
个自发活动与对电影反应之间的相关系数，当然也
可以计算第二个自发活动和对电影反应的相关系
数。然后通过这两个系数，可以比较一下自发活动
与对电影反应活动的相似性是否在电影刺激之后提
高了。确实他们发现相关系数增大了，虽然增大的
程度跟电影的长短有关。这说明，在电影刺激之
后，自发活动变得跟对电影反应的活动更加相似
了，似乎神经元的活动在回顾着刚才的电影经历。
这个效应并不依赖于细胞自发放电率的变化。
因为有些细胞在电影刺激后放电率提高了，有些却降
低了，但它们都毫无例外地表现出相似性的提高。
之后，研究小组还用电压敏感染料成像(voltage
sensitive dye imaging)技术来研究这个问题，因为单
通道胞外记录只能一次记录到一个细胞，而利用电
压敏感染料可以同时观察群体细胞的活动，从而可
以看一下群体细胞是不是也呈现这种刺激后回放的行
为。通过电压敏感染料观察，皮层群体细胞在无刺
激时呈现随机活动的自发波(spontaneous wave)；如
果在某位置给一个闪光刺激，可以观察到刺激诱发
的波(evoked wave)。诱发波与自发波的不同在于自
发波是随机地从一个位置起始的，而对诱发波来
说，只要刺激保持不变，总能观察到一样的波。
跟前面的实验流程很相似，先记录自发波，然
后反复地在特定位置给予闪光刺激，记录到诱发
波，随后不给刺激接着记录自发波。计算刺激前后
自发波与诱发波的相似性，也观察到在刺激后，自
发波与诱发波的相似程度提高了。所以群体细胞的
活动也存在着刺激后回放的现象。
6 总结
活动时序依赖突触可塑性在发育中和成年的大
鼠视觉皮层都存在；重复地给予的自然图形电影刺
激，能够增加视皮层神经元反应的可靠性，并且造
成之后的自发活动中也存在“记忆的痕迹”。
朱英杰　魏宏平　整理