就像地球上的许多其他动物一样，人类也被认为是大多数日间生物。 人体的几乎所有系统都在白天进行活动，并在夜间进行休息。 我们何时睡觉和何时保持清醒的最重要调节器是大脑。 他还负责处理通过感官收到的信息。 这些信息的准确性取决于接收信息的环境以及我们的理解方式：在暮色中，有一个挂有外套的衣架，我们的大脑告诉我们：“这是一个现在会吞噬我们的怪物。” 但是，在某些情况下，某些信号可以弥补其他信号的缺点。
今天，我们将与您会面进行一项研究，来自美国马里兰大学的科学家将实验室小鼠置于漆黑的环境中整整一周。 在实验过程中，小鼠的行为如何变化，它们在大脑中的神经网络有什么变化，科学家从观察中得出什么结论？ 研究人员的报告将阐明这些问题。 走吧
学习基础
我们都知道，当从光线充足的房间移到黑暗的房间时，我们的视力需要有所适应。 这个过程被称为平淡无奇-眼睛适应。 当我们进入光线不足的房间时，我们的眼睛开始惊慌失措，以适应新的条件，此后，此过程会变慢。 如果您在进入黑暗之前闭上了几分钟，那么适应会变得更好，更慢。 人们认为，由于这个原因，海盗的一只眼睛蒙住了眼睛：当他们进入照明不是最好的船舱时，他们改变了另一只眼的蒙眼，从而事先封闭了更好的感知信息。 这似乎是真的，但它可以是一个简单的童话。
但是，除了视觉之外，还有其他感觉，包括听力。 我们经常听到盲人据说听得更好。 人们还认为，一种
方式*内的感觉可塑性在儿童中更为发达，但是，即使在成年人中，也可能会产生交叉方式的可塑性。
模态* -某个信号属于某个传感器系统的归属。 模态有以下几种类型：视觉，听觉，疼痛，动觉等。
在交叉模态可塑性的情况下，大脑神经元以组合两个或多个系统功能的方式进行重组。 这种现象通常发生在由于创伤或疾病引起的特定系统的感觉丧失（退化）的背景下。 自出生以来失明或聋哑的人中存在最明显的神经重组。 也就是说，剥夺时间越长，交叉模式的可塑性就越强。
换句话说，可以通过其他感觉的可塑性来补偿感觉模态的丧失。 先前的研究表明，出生时的盲人会更好地感知声音信号，其来源位置（声音的定位）和频率特性。 显然，在先天性感觉缺陷的情况下，这种变化更为明显。 但是，即使在各种物种的成年动物中，由于环境变化，也可能形成感觉和交叉模式可塑性。
例如，啮齿动物在细胞水平上的短时视觉剥夺增加了听觉皮层（A1）中的频率选择性，同时降低了阈值并增加了听觉皮层的神经元L4（
丘脑辅助层4 ）的冲动传递速率。 细胞水平上的类似变化是神经回路变化的结果。 黑暗的影响导致L4中的丘脑传入信号增加，从L4神经元到L2 / 3神经元的皮质内连接增加（丘脑辅助层2/3），并增强L2 / 3内的兴奋性和抑制性层内键合，L4的层间上升连接。到L2 / 3以及从L2 / 3到L4的反馈连接。
但是，感觉刺激不是通过单个神经元而是通过它们的组（种群）转换为信息。 因此，此类群体中神经元之间的连接改变会直接影响来自传入信号的信息形成。
由于对声音频率的感知在L4和L2 / 3之间变化，因此科学家决定检查黑暗对成年个体的暂时影响是否可以重组神经元及其在实验室小鼠大脑听觉皮层内的相互连接。 两光子钙（Ca
2+ ）成像用于观察大脑变化的过程。 测量了L2 / 3和L4神经元的声音诱导的活性，表明存在频率选择性增加。
图片编号1：小鼠A1中神经元的双光子钙（Ca 2+ ）成像。实验小鼠是实验室小鼠，将其随机分为两组：对照组（在正常光照下生活，9个人）和测试（在黑暗中，生活6个人）。 呆在黑暗中（DE-黑暗暴露）相对短暂-1周（
1A ）。
表1：钙成像使我们能够获得听觉皮层每一层中数百个神经元活动的图像。科学家们还注意到，先前的研究表明DE不会引起内部细胞渗透性（
1C ）的任何变化。 这非常重要，因为在成像过程中使用了GCaMP6（
1V ）钙指示剂。
为了表征对照组和测试组小鼠的单个神经元的活性，在声音暴露（纯音）为4–64 kHz，60 dB（
1D ）时，在L2 / 3和L4层中显示了300×300μm的图。 首先，鉴定出对这些刺激有反应的细胞。 至少以某种方式发生反应的细胞被归类为“响应”。 暴露在黑暗中后，L4中反应细胞的比例没有变化，但在L2 / 3中，较少的细胞对刺激（
1E ）作出反应，这表明颗粒层中皮质反应的稀疏性（某物之间的间隔增加）。
单个单元的注册*显示测试组小鼠的L4细胞具有较高的自发和黑暗诱导的神经元频率（神经元活性）。
单个单元的配准* -一种使用微电极测量单个神经元的电生理反应的方法。
进一步决定找出在L2 / 3层中单个细胞的水平上是否存在类似的变化。 为了评估表达小鼠GCaMP6s的神经元（SD）的自发活性，在刺激开始之前和没有任何刺激的长时间成像过程中，测量了瞬时荧光过程。
在黑暗中停留后，L4和L2 / 3（
1F ）中神经元的自发活动增加。
音调敏感性的降低可能与听觉皮层神经元频率调谐的变化有关。 较早的微电极记录显示，测试组小鼠的L4细胞具有更高的频率选择性，并且由于L2 / 3接受L4的输入，因此L2 / 3中可能存在相同的变化。 此后，基于声音再现（
2A ）引起的最大响应，为每个响应单元创建了调谐曲线。
图片编号2：在黑暗中停留会增加L4和L2 / 3中神经元的灵敏度和频率选择性。首先，在最佳频率（BF，即曲线上的峰值频率）下测量诱发响应的幅度。 在L4神经元和L2 / 3神经元中，暴露于黑暗后的响应幅度都增加了，但是在L4中却更大（
2B ）。 该观察结果与电生理记录完全一致，并且
丘脑皮质传入 L4的数量增加。
丘脑皮质共振* -丘脑各个核和大脑皮层相关区域的神经元同步振荡（周期性地激活单个神经元群体的现象）的现象。
传入*是一种神经元，可将脉冲从受体传递到大脑或脊髓。
接下来，我们评估了来自测试组和对照组的小鼠细胞的频率选择性。 分析显示，暴露于黑暗后，神经元L4和L2 / 3的带宽小于对照组的动物（
2C ）。
这些观察结果的总和表明，在单个细胞的水平上，L4和L2 / 3的黑暗后变化相同，只是L4的响应幅度在黑暗后增加，而L2 / 3则没有。
因此，经过一定时间后，暴露在黑暗中会导致L4和L2 / 3的听觉皮层神经元的声诱发反应发生变化。 但是在L4中，这些更改仍然比L2 / 3中的更改更为重要。 尽管暴露于黑暗后对声音产生反应的细胞较少，但在A1中做出反应的细胞对声音变得更加敏感和更具选择性。 换句话说，在黑暗中，听觉皮层神经元的作用是“质量而不是数量”，因为响应细胞的数量减少了，但其活性却增加了。
图像3：暴露在黑暗中会改变听觉皮层中频率选择性的分布。观察数据表明，L4听觉皮层中对音调敏感的细胞显示出更高的响应幅度，而暴露在黑暗中的两个A1层中的细胞都显示出更高的声音选择性。 但是，这些在单个细胞水平上的变化不能解释为什么在暴露于黑暗后L2 / 3中反应神经元更少。 感觉皮层中的神经元可以根据行为因素调整其调节。 此外，早期的感觉体验会改变听觉皮层的面积，从而对一定频率的声音做出反应。 基于这些信息，科学家建议单个神经种群改变了他们对外部刺激的偏好。
为了检验这一假设，科学家研究了来自测试组和对照组的小鼠中神经元群体的偏好频率分布。
对照组的小鼠“优选”的频率范围是4到64 kHz，而大多数神经元则更喜欢声音的范围是8到32 kHz。 但是来自测试组的小鼠对32-64 kHz（
3B ）范围内的高频反应更为活跃。
在L2 / 3层中观察到对高频（32–64 kHz）更敏感的单元数量增加，而在L4层中观察到的较低单元数（4–8 kHz）增加。 在这两个层中，观察到的中频感知都在8-16 kHz（
3A ）范围内下降。
如您所知，感觉刺激不仅由单个神经元编码，而且由神经元群体编码。 神经元之间活动的相关性反过来又有助于信息编码的过程。 在L4和L2 / 3中，相邻的细胞都显示出很高的信号相关性（SC），反映了刺激驱动的相关活动。 还存在成对相关性（NC），表示实验之间不依赖刺激的协方差。
科学家建议，在暴露于黑暗后改善功能性层间和层内键可导致配对相关性降低。 因此，NC使我们能够研究黑暗后L4和L2 / 3中神经元之间相关活动水平的变化。
第4张图片：由于黑暗的影响，L4层的NC降低。黑暗的影响导致L4层单元之间的NC和SC降低。 但是，在L2 / 3层中，NC几乎保持不变（
5A ）。
图片编号5：由于黑暗的影响，L2 / 3层的NC减少。黑暗导致L2 / 3（
5B ）的神经元之间的SC减少。 由此可见，黑暗不仅改变了单个神经元的设置，而且还改变了它们在L2 / 3层和L4中的相互连接。
为了更详细地了解这项研究的细微差别，建议您查看
科学家的
报告 。
结语
在黑暗中呆了一周的小鼠显示出与在正常光照下生活的小鼠完全不同的神经元活动。 来自测试组的小鼠的听觉皮层神经元进行了自我重新配置，并使彼此之间的连接重新配置，以更准确地感知高频和低频，同时牺牲了对中频的感知。 科学家们本身还不能准确解释这种选择性。 他们建议，这可能是由于老鼠想听得更好的东西：他们的脚步，其他老鼠的声音等。
重要的是要注意，实验小鼠是健康的，即 从出生起他们的视力绝对正常。 以前认为，这种神经活动的变化更有可能仅发生于那些从出生（或从小）就患有任何感觉障碍的人。 然而，事实证明，即使是成年人的大脑也可以改变，以适应环境条件。
未来，科学家计划通过增加对老鼠将听到的声音的操纵来扩大研究范围。 这将使您可以更准确地确定声音在黑暗中以及小鼠在多大程度上做出了反应。
这项研究不仅满足了科学家的平凡好奇心，而且对听力受损的人也非常有用。 尤其是，这项工作可以简化听力障碍者适应助听器和人工耳蜗的过程。
在一项研究中，无法完全描述和解释这种结构，该结构由数十亿个能够相互独立且共同作用的块组成。 我们的大脑就是这样一个系统。 同时，随着每一项新的研究，我们将学到越来越多关于我们最重要器官的有价值的信息，其最重要的器官的奥秘可与宇宙的未知范围相提并论。
周五顶峰：
许多动物具有比人类发达的感觉器官。 该视频介绍了一些最不寻常的物种，这些物种可以拥有非凡的能力。
谢谢大家收看，保持好奇心，祝大家周末愉快。 :)
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