创新背景

眼睛、大脑的某些部分和连接它们的神经网络共同构成了视觉系统。视觉系统就像通过电线连接到屏幕上的摄像头，人的意识自我可以观看，但是想要对这个系统进行准确生物学描述非常复杂。

视觉系统涉及大量分层排列的视觉皮层区域，形成了一种分层结构。但这个分层结构的早期阶段或主要区域，以及参与视觉信号处理的区域或更高的视觉皮层区域之间的联系在发育过程中形成机制尚不明确，阻碍了科学家对人类视觉系统的研究。

创新过程

构成动物大脑和感觉系统的神经元和结构的网状本质像一个随机的复杂混乱系统，但研究人员能够观察混乱中离散的结构，并确定它们的功能。东京大学生理学系的Kenichi Ohki教授和Tomonari Murakami助理教授及其团队利用小鼠进行视觉系统研究，以了解视觉系统中的特定结构。

分层和并行网络是哺乳动物大脑的基本结构。在发育过程中，低阶和高阶丘脑核以及视觉系统中的许多皮质区域会形成面间连接并建立分层的背侧和腹侧流。开发视觉网络布局的一个假设涉及顺序策略，其中神经连接与从低到高区域的层次结构一起顺序形成。

发育中的小鼠大脑扫描显示，高阶皮质视觉区域接收来自丘脑核的视觉信息。洋红色和青色代表不同的神经元通路，这些通路比皮质区域内的连接更早形成。

研究团队探究称为皮质和丘脑区域的区域，通过观察这些区域的神经元网络如何在新生小鼠中发育，以及这些网络何时变得活跃，描述控制视觉系统生长的机制。

研究预计视觉网络首先会在皮质区域之间形成大量连接，反映整个系统的层次结构。但观察并及时记录日益密集的连接网络的事实结果表明，从眼睛视网膜到皮质区域的平行神经通路比皮质区域的平行神经通路形成得更早。从小鼠视网膜到初级视觉皮层（V1）或背侧/腹侧高等视觉区域（HVAs）的神经通路通过低阶或高阶丘脑核在皮质皮质连接之前形成平行模块。然后V1和HVA之间的皮质连接以结合这些模块。

图片展示了可视化小鼠视觉系统的发育变化，诸如此类的可视化中显示的模式显示了皮质视觉区域中神经活动的时空模式。

传播初始并行模块的视网膜衍生活动对于建立视网膜修饰模块间连接是必要的，所以视觉网络以模块化的方式发展，涉及并行模块的初始建立及其随后的串联。新事实改变了研究人员对皮质发育领域的认知，表明原先假设的视觉网络布局顺序策略对于构建包含大量区域连接的整个视觉网络的有效性有限，提出从高阶丘脑核到HVA的平行模块作为皮质腹侧和背侧流模板的可能性。研究成果论文发表在2022年8月3日出版的《自然》上。

创新价值

研究揭示了关于复杂的视觉网络如何在小鼠中形成的细节，可以为未来治疗先天性失明的研究提供信息，构成未来医学研究的基础，改善人们的生活。并且，生物神经组织和数字人工智能之间有相似之处，人工智能通常基于分为多层结构的数字人工神经网络。研究证明至少有一些生物神经元系统在分层之前发展出平行结构，人工智能研究开发可以从中获取灵感，尝试新的设计方法，有助于创造能够解决各种问题的更通用智能的技术。