トップダウンとボトムアップの注意の基礎前脳の根底にあるメカニズム

前頭皮質からの注意信号と基底前脳（BF）からの神経調節信号は、主要な視覚皮質（V1）の情報処理に影響を与えることが示されています。これらの2つのシステムは、発火率の増加や介在ニューロン相関の減少など、ターゲットに補完的な影響を及ぼします。興味深いことに、実験的研究は、コリン作動性システムが感覚情報と注意情報の両方に対するV1の感受性を高めるために重要であることを示唆しています。BFとトップダウンの注意がどのように協力して感覚入力を調節するかを見るために、コリン作動性神経調節とトップダウンの注意を組み込んだV1と視床のスパイキングニューラルネットワークモデルを開発しました。私たちのモデルでは、BFの活性化は、トップダウン投影の有効性を低下させ、ボトムアップ感覚入力の依存度を高める広範な効果がありました。対照的に、視覚皮質におけるアセチルコリンの局所放出は、トップダウンのgluatmatergicic投影によって引き起こされ、高い空間特異性でトップダウンの注意を高めることができる方法を実証しました。私たちのモデルは、BFとトップダウンの注意が介在ニューロンの相関を低下させ、裁判間の信頼性を高めることを示す実験データと一致しました。相関の減少は、興奮性励起ペアではなく興奮性抑制ペアの間で主にあることを発見し、興奮性抑制性分離が低レベルの興奮性励起相関を維持するために必要であることを示唆しています。V1でのアセチルコリンの放出による阻害駆動の増加は、緩衝液として作用する可能性があり、注意とBF刺激とともに発生する興奮性励起相関の増加を吸収します。これらの発見は、BFの注意信号と相関への影響との相互作用を頻繁に抱えているメカニズムをよりよく理解することにつながります。

Both attentional signals from frontal cortex and neuromodulatory signals from basal forebrain (BF) have been shown to influence information processing in the primary visual cortex (V1). These two systems exert complementary effects on their targets, including increasing firing rates and decreasing interneuronal correlations. Interestingly, experimental research suggests that the cholinergic system is important for increasing V1's sensitivity to both sensory and attentional information. To see how the BF and top-down attention act together to modulate sensory input, we developed a spiking neural network model of V1 and thalamus that incorporated cholinergic neuromodulation and top-down attention. In our model, activation of the BF had a broad effect that decreases the efficacy of top-down projections and increased the reliance of bottom-up sensory input. In contrast, we demonstrated how local release of acetylcholine in the visual cortex, which was triggered through top-down gluatmatergic projections, could enhance top-down attention with high spatial specificity. Our model matched experimental data showing that the BF and top-down attention decrease interneuronal correlations and increase between-trial reliability. We found that decreases in correlations were primarily between excitatory-inhibitory pairs rather than excitatory-excitatory pairs and suggest that excitatory-inhibitory decorrelation is necessary for maintaining low levels of excitatory-excitatory correlations. Increased inhibitory drive via release of acetylcholine in V1 may then act as a buffer, absorbing increases in excitatory-excitatory correlations that occur with attention and BF stimulation. These findings will lead to a better understanding of the mechanisms underyling the BF's interactions with attention signals and influences on correlations.