Forskare vid MIT har kartlagt en tidigare underskattad hjärncirkuit som förändrar hur visuell information bearbetas beroende på djurets nivå av vakenhet och rörelse. I en musstudie visar de att prefrontala cortex skickar specialiserade återkopplingssignaler till visuella och motoriska regioner, vilket stramar åt eller luckrar upp visuella representationer efter beteendemässigt tillstånd, enligt rapport i Neuron.
Synen är inte bara en passiv inspelning av omvärlden utan formas aktivt av inre tillstånd, enligt ny forskning från MIT.
I ett arbete sammanfattat av Picower Institute vid MIT rapporterar studien att prefrontala cortex — ett viktigt nav för exekutiv kontroll — skickar skräddarsydda signaler till primära visuella cortex (VISp) och primära motoriska cortex (MOp) hos möss.
Dessa signaler justerar hur dessa regioner fungerar baserat på faktorer som hur vaken djuret är och om det rör sig, antingen skärper eller dämpar visuella detaljer för att prioritera relevant information.
Teamet, lett av postdoktorala forskaren Sofie Ährlund-Richter, med seniorförfattaren Mriganka Sur, Paul and Lilah Newton-professorn vid The Picower Institute for Learning and Memory och MIT:s avdelning för hjärn- och kognitionsvetenskaper, fokuserade på två prefrontala subregioner: orbitofrontala cortex (ORB) och den anteriora cingulata area (ACA).
Enligt ScienceDaily-rapporten om arbetet vidarebefordrar både ORB och ACA information om vakenhet och rörelse till VISp och MOp, men deras effekter skiljer sig åt. Högre vakenhet ökade ACA:s tendens att hjälpa VISp att skärpa visuella representationer, särskilt för mer osäkra eller svåra-att-detektera stimuli. ORB blev inflytelserikt bara vid mycket hög vakenhet, och dess involvering verkade minska klarheten i visuell kodning, potentiellt dämpar svar på starka men mindre relevanta stimuli.
"Dessa två PFC-subregioner balanserar varandra på ett sätt", sa Ährlund-Richter. "Medan en förbättrar stimuli som kan vara mer osäkra eller svåra att detektera, dämpar den andra starka stimuli som kan vara irrelevanta."
För att kartlägga dessa vägar utförde Ährlund-Richter detaljerad anatomisk spårning av förbindelserna från ACA och ORB till VISp och MOp. I ytterligare experiment sprang möss på ett hjul medan de tittade på strukturerade bilder eller naturalistiska filmer vid olika kontrastnivåer, och korta luftpuffar användes för att öka vakenheten.
Genom hela dessa uppgifter spelade forskarna in neural aktivitet i ACA, ORB, VISp och MOp, med särskilt fokus på signaler som färdas längs axonerna som förbinder prefrontala och posteriora områden. Spårningsarbetet visade att ACA och ORB vardera kommunicerar med flera celltyper i sina målbefintliga regioner och följer distinkta spatiala mönster: i VISp riktade ACA främst mot lager 6, medan ORB kommunicerade främst med neuroner i lager 5.
När teamet undersökte den överförda informationen och den neurala aktiviteten framträdde flera mönster. ACA-neuroner förmedlade mer detaljerad visuell information än ORB-neuroner och var mer responsiva för kontrastförändringar. ACA-aktivitet spårade också vakenhetsnivån noga, medan ORB bara svarade när vakenheten nådde en relativt hög tröskel. Vid signalering till MOp bar båda prefrontala regionerna information om löphastighet; vid signalering till VISp signalerade de om musen rörde sig eller var stilla, och de bar också vakenhetsrelaterade signaler samt en liten mängd visuell detalj till MOp.
För att testa hur denna kommunikation formar visuell bearbetning blockerade forskarna temporärt återkopplingsvägar från ACA och ORB till VISp och mätte sedan hur VISp-neuroner svarade i avsaknad av dessa inputs. De fann att ACA och ORB utövade specifika och motsatta influenser på visuell kodning som berodde på musens rörelse och vakenhetsnivå.
"Det är den stora slutsatsen i denna artikel: Det finns riktade projektioner för riktad inverkan", sa Sur i Picower Institutes redogörelse för resultaten. Författarna skriver att deras data stöder en modell för prefrontalt återkoppling som är specialiserad på nivån av både prefrontala subregioner och deras mål, vilket gör det möjligt för varje region att selektivt forma målspecifik kortikal aktivitet snarare än att modulera den globalt.
Förutom Ährlund-Richter och Sur inkluderade forskningslaget Yuma Osako, Kyle R. Jenks, Emma Odom, Haoyang Huang och Don B. Arnold. Enligt ScienceDailys sammanfattning stöddes arbetet av en Wenner-Gren foundations postdoktoralt stipendium, National Institutes of Health och Freedom Together Foundation.
Studien, med titeln "Distinct roles of prefrontal subregion feedback to the primary visual cortex across behavioral states", publicerades i Neuron 2025.