DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58698-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40204762
تاريخ النشر: 2025-04-09
المؤلف: Camden J. MacDowell وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الأعصاب ووظيفة الدماغ
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الطبيعة المرنة للإدراك، مع التركيز على قدرة الدماغ على توجيه المعلومات ديناميكيًا عبر شبكات مختلفة من المناطق لتسهيل المهام الإدراكية المختلفة. باستخدام مزيج من تصوير الكالسيوم على مستوى القشرة وتسجيلات كهربائية عالية الكثافة في الفئران، تحدد الدراسة أبعادًا مميزة من النشاط السكاني داخل المناطق القشرية وما تحت القشرية المتصلة وظيفيًا بشبكات ‘الفضاء الفرعي’ المتداخلة. هذه الشبكات ليست ثابتة؛ حيث تتغير تنشيطها من لحظة إلى أخرى، مما يتوافق مع المحاذاة الهندسية للاستجابات العصبية داخل منطقة معينة مع أبعاد الفضاء الفرعي المحددة. عندما يتماشى النشاط العصبي مع بعد الفضاء الفرعي، يحدث زيادة في النشاط في المناطق المرتبطة، مما يشير إلى أن هندسة التمثيلات العصبية تلعب دورًا حاسمًا في تمكين المرونة الإدراكية.
تدعم النتائج نموذجًا هندسيًا للتحكم الإدراكي، حيث تفترض أن الدماغ يمكنه الانخراط بشكل انتقائي في شبكات مختلفة من خلال تغيير محاذاة التمثيلات العصبية مع الفضاءات الفرعية المشتركة بين المناطق. يبني هذا النموذج على الملاحظات السابقة التي تشير إلى أن جزءًا فقط من الاستجابات العصبية في منطقة واحدة يتوافق مع منطقة أخرى وأن هندسة هذه التمثيلات يمكن أن تتغير بطريقة تعتمد على المهمة. وبالتالي، تقترح الدراسة أن التفاعل الديناميكي والتنظيم الهندسي للنشاط العصبي هما أساس كيفية إدارة وتنفيذ العمليات الإدراكية عبر الشبكات الواسعة المعنية بمعالجة الحواس، واتخاذ القرارات، والأفعال الحركية.
الطرق
في هذه الدراسة، تضمنت الطرق المستخدمة استخدام فئران بالغة تعبر عن GCaMP6f في الخلايا العصبية المثيرة للقشرة، تحديدًا من سلالة Thy1-GCaMP6f. تم استخدام ثلاثة فئران (ذكرين وأنثى واحدة، جميعها فوق ثمانية أسابيع من العمر)، حيث خضعت كل فأر لتسجيلين، مما أسفر عن إجمالي ستة تسجيلات (n = 6). تمت الموافقة على جميع الإجراءات التجريبية من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوانات (IACUC) في جامعة برينستون وامتثلت لمعايير المعاهد الوطنية للصحة.
لضمان سلامة التسجيلات، تم الحفاظ على الفئران في دورة عكسية من الظلام/الضوء لمدة 12 ساعة، وتم فحص جميع التسجيلات بحثًا عن نشاط صرعي. أشارت الأبحاث السابقة إلى أن الحيوانات التي تعبر عن GCaMP تحت محفز Thy1 لم تظهر مثل هذا النشاط، ووفقًا لهذه النتائج، لم يتم الكشف عن أي أحداث صرعية في الدراسة الحالية.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تسجيل النشاط العصبي في وقت واحد من ثمانية مناطق دماغية قشرية وما تحت القشرية باستخدام أربعة مجسات Neuropixels، مما أدى إلى جمع بيانات من أكثر من 6500 خلية عصبية. استخدمت التحليلات الانحدار ذو الرتبة المنخفضة (RRR) لتقييم الاتصال الوظيفي بين هذه المناطق من خلال التنبؤ بالنشاط العصبي في منطقة واحدة بناءً على النشاط في المناطق الأخرى. أظهرت النتائج وجود ترابط كبير، حيث أوضحت نماذج الانحدار جزءًا كبيرًا من التباين في النشاط العصبي عبر جميع المناطق (تم التحقق من صحة العبور $r^2 = 0.12$، $p < 0.001$). ومن الجدير بالذكر أن استبعاد أي منطقة واحدة من النماذج أدى إلى انخفاض ملحوظ في الأداء التنبؤي، مما يبرز أهمية كل منطقة في ديناميات الشبكة العامة. كشفت تحليل RRR أن عددًا محدودًا من أبعاد النشاط العصبي داخل كل منطقة كانت مرتبطة بالنشاط في مناطق أخرى، مما يجسد 'فضاء فرعي مشترك' من النشاط السكاني. على وجه التحديد، كان متوسط 5.5 أبعاد يمثل أكثر من 80% من التباين القابل للتفسير عبر المناطق، بينما كانت 10 أبعاد تمثل حوالي 90%. كان هذا الفضاء الفرعي المشترك أصغر بكثير من الأبعاد المحلية لكل منطقة، والتي تطلبت، في المتوسط، 2.1 مرة المزيد من الأبعاد لشرح نفس التباين في النشاط. تشير هذه النتائج إلى أنه بينما يوجد اتصال وظيفي بين المناطق، فإن جزءًا فقط من مساحة النشاط العصبي المحلي يتم استخدامه في التواصل بين المناطق، مع ملاحظة تباين عبر مناطق دماغية مختلفة.
المناقشة
تستكشف قسم المناقشة في ورقة البحث الاتصال الوظيفي بين مناطق الدماغ من خلال أبعاد الفضاء الفرعي المشتركة للنشاط العصبي. يقترح المؤلفون نموذجين: أحدهما حيث يعمل كل بعد كـ ‘قناة’ بين أزواج من المناطق، وآخر حيث تدمج الأبعاد النشاط من مناطق متعددة، مما يشكل ‘شبكة’ من الاتصال. تكشف تحليلاتهم لوزن بيتا أنه بينما تدمج العديد من أبعاد الفضاء الفرعي النشاط عبر الشبكات الموزعة، فإن بعضها أكثر حصرية، مما يشير إلى تفاعل معقد بين التفاعلات العصبية الواسعة والمحددة. ومن الجدير بالذكر أن الأبعاد 1 و 2 وُجد أنها تتوافق مع النشاط الحركي، مما يشير إلى أن الأبعاد المبكرة تسهل تبادل المعلومات على نطاق واسع، بينما تكون الأبعاد الأعلى أكثر انتقائية.
باستخدام التصوير الواسع الميداني والتسجيلات الكهربائية في وقت واحد، يقوم المؤلفون بتصور الشبكة الأوسع من المناطق القشرية المرتبطة بكل بعد من أبعاد الفضاء الفرعي. يحددون هياكل تشريحية متنوعة لشبكات الفضاء الفرعي، حيث تشارك الأبعاد المبكرة شبكات واسعة عبر القشرة الظهرية، بينما تتصل الأبعاد اللاحقة بمناطق أكثر محلية. تبرز الدراسة أيضًا الطبيعة المتعددة القنوات للتواصل بين مناطق الدماغ، حيث تتوافق أبعاد مختلفة من النشاط العصبي مع شبكات متميزة ومتداخلة. يسمح هذا التعدد بتكوينات معقدة وتفاعلات عبر القشرة، مما يشير إلى أن الدماغ يمكنه ضبط اتصاله ديناميكيًا بناءً على المتطلبات الإدراكية المحددة للحظة. بشكل عام، تؤكد النتائج على الطبيعة المعقدة والمرنة للتواصل العصبي في الدماغ، مما يتحدى النماذج البسيطة للاتصال.
القيود
تسلط القيود في الدراسة الحالية الضوء على عدة مجالات للبحث المستقبلي. يعترف المؤلفون بأن نهجهم، الذي جمع بين التصوير الواسع الميداني وعلم الأعصاب الكهربائي متعدد المناطق، كان مقيدًا بعدد محدود من مناطق الدماغ والخلايا العصبية. من المحتمل أن تؤثر هذه القيود على تقدير الأبعاد داخل المناطق وعبرها، حيث قد تعكس الأبعاد المحلية التي بدت موجودة اتصالات وظيفية مع مناطق غير مسجلة. بالإضافة إلى ذلك، قد يغفل التركيز على الخلايا العصبية المثيرة في فئران Thy1-GCaMP ديناميات مجموعات عصبية أخرى، والتي تشير الدراسات الحديثة إلى أنها يمكن أن تختلف بشكل كبير عبر سياقات مختلفة. كانت النتائج، على الرغم من قوتها عبر مجموعات البيانات، مستمدة من ست جلسات تسجيل فقط تشمل ثلاثة فئران، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف حول كيفية تأثير بيئات المهام وحالات الدماغ على الاتصال الوظيفي.
علاوة على ذلك، تقدم منهجية الدراسة تحديات في تحديد اتجاهية التفاعلات العصبية، مما يترك أسئلة مفتوحة حول ما إذا كانت الارتباطات الملحوظة تشير إلى تدفق معلومات موجه أو تفاعل ثنائي الاتجاه. يشير المؤلفون إلى أنه بينما كانت شبكات الفضاء الفرعي لديهم ذات أبعاد منخفضة – حيث كانت عشرة أبعاد تمثل حوالي 90% من التباين – قد تعكس هذه القيود الجوهرية في تقنيات التسجيل الخاصة بهم. يقترحون أن هذه التفاعلات ذات الأبعاد المنخفضة قد توفر رؤى حول القيود الإدراكية، مثل حدود الانتباه والذاكرة العاملة. من الضروري إجراء تحقيقات مستقبلية لتقييم قابلية تعميم شبكات الفضاء الفرعي عبر أجزاء مختلفة من مناطق الدماغ ولتوضيح الآليات التي من خلالها تتماشى المجموعات العصبية أنشطتها مع أبعاد الفضاء الفرعي المختلفة، مما يعزز فهمنا للإدراك والديناميات العصبية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58698-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40204762
Publication Date: 2025-04-09
Author(s): Camden J. MacDowell et al.
Primary Topic: Neural dynamics and brain function
Overview
This research investigates the flexible nature of cognition, emphasizing the brain’s ability to dynamically route information through various networks of regions to facilitate different cognitive tasks. Using a combination of cortex-wide calcium imaging and high-density electrophysiological recordings in mice, the study identifies distinct dimensions of population activity within cortical and subcortical regions that are functionally connected to multiple overlapping ‘subspace networks.’ These networks are not static; their activation changes moment-to-moment, correlating with the geometric alignment of neural responses within a region to specific subspace dimensions. When neural activity aligns with a subspace dimension, there is an increase in activity in the associated regions, suggesting that the geometry of neural representations plays a crucial role in enabling cognitive flexibility.
The findings support a geometric model of cognitive control, positing that the brain can selectively engage different networks by altering the alignment of neural representations with shared subspaces between regions. This model builds on previous observations that only a portion of neural responses in one region correlates with another region and that the geometry of these representations can shift in a task-dependent manner. Thus, the study proposes that the dynamic interaction and geometric organization of neural activity are fundamental to how cognitive processes are managed and executed across broad networks involved in sensory processing, decision-making, and motor actions.
Methods
In this study, the methods employed involved the use of adult mice expressing GCaMP6f in cortical excitatory neurons, specifically from the Thy1-GCaMP6f line. A total of three mice (two males and one female, all over eight weeks old) were utilized, with each mouse undergoing two recordings, resulting in a total of six recordings (n = 6). All experimental procedures were approved by the Animal Care and Use Committee (IACUC) of Princeton University and adhered to the National Institutes of Health standards.
To ensure the integrity of the recordings, the mice were maintained on a 12-hour dark/light reverse cycle, and all recordings were screened for epileptiform activity. Previous research indicated that animals expressing GCaMP under the Thy1 promoter did not exhibit such activity, and consistent with these findings, no epileptiform events were detected in the current study.
Results
In this study, neural activity was recorded simultaneously from eight cortical and subcortical brain regions using four Neuropixels probes, capturing data from over 6500 neurons. The analysis employed reduced rank regression (RRR) to assess the functional connectivity among these regions by predicting the neural activity in one region based on the activity in others. The results indicated significant interconnectivity, with the regression models explaining a substantial portion of the variance in neural activity across all regions (cross-validated $r^2 = 0.12$, $p < 0.001$). Notably, excluding any single region from the models resulted in a marked decrease in predictive performance, underscoring the importance of each region in the overall network dynamics. The RRR analysis revealed that a limited number of dimensions of neural activity within each region were correlated with activity in other regions, encapsulating a 'shared subspace' of population activity. Specifically, an average of 5.5 dimensions accounted for over 80% of the explainable variance across regions, while 10 dimensions captured approximately 90%. This shared subspace was significantly smaller than the local dimensionality of each region, which required, on average, 2.1 times more dimensions to explain the same variance in activity. These findings suggest that while there is a functional connection between regions, only a fraction of the local neural activity space is engaged in inter-regional communication, with variability observed across different brain areas.
Discussion
The discussion section of the research paper explores the functional connectivity of brain regions through shared subspace dimensions of neural activity. The authors propose two models: one where each dimension acts as a ‘channel’ between pairs of regions, and another where dimensions integrate activity from multiple regions, forming a ‘web’ of connectivity. Their analysis of beta-weights reveals that while many subspace dimensions integrate activity across distributed networks, some are more exclusive, indicating a nuanced interplay between broad and specific neural interactions. Notably, dimensions 1 and 2 were found to correlate with motor activity, suggesting that early dimensions facilitate widespread information sharing, while higher dimensions are more selective.
Using simultaneous widefield imaging and electrophysiological recordings, the authors visualize the broader network of cortical regions associated with each subspace dimension. They identify diverse anatomical structures of subspace networks, with early dimensions engaging extensive networks across the dorsal cortex, while subsequent dimensions connect to more localized areas. The study also highlights the multiplexed nature of communication between brain regions, where different dimensions of neural activity correspond to distinct, overlapping networks. This multiplexing allows for complex representations and interactions across the cortex, suggesting that the brain can dynamically adjust its connectivity based on the specific cognitive demands of the moment. Overall, the findings emphasize the intricate and flexible nature of neural communication in the brain, challenging simplistic models of connectivity.
Limitations
The limitations of the current study highlight several areas for future research. The authors acknowledge that their approach, which combined widefield imaging and multiregional electrophysiology, was constrained to a limited number of brain regions and neurons. This restriction likely impacted the estimation of dimensionality within and across regions, as what appeared to be local dimensions may actually reflect functional connections to unrecorded areas. Additionally, the focus on excitatory neurons in Thy1-GCaMP mice may overlook the dynamics of other neural populations, which recent studies suggest can vary significantly across different contexts. The findings, while robust across datasets, were derived from only six recording sessions involving three mice, underscoring the need for further exploration of how task environments and brain states influence functional connectivity.
Moreover, the study’s methodology presents challenges in determining the directionality of neural interactions, leaving open questions about whether observed correlations indicate directed information flow or bidirectional engagement. The authors note that while their subspace networks were low-dimensional—where ten dimensions accounted for approximately 90% of variance—this may reflect inherent limitations in their recording techniques. They suggest that these low-dimensional interactions could provide insights into cognitive constraints, such as attention and working memory limits. Future investigations are necessary to assess the generalizability of subspace networks across different parts of brain regions and to elucidate the mechanisms by which neural populations align their activities with various subspace dimensions, thereby enhancing our understanding of cognition and neural dynamics.