圖靈不穩(wěn)定性視角下的視皮層進(jìn)化與發(fā)育模式研究｜附11篇領(lǐng)域必讀文獻(xiàn) · 周六直播

導(dǎo)語(yǔ)

繼「神經(jīng)動(dòng)力學(xué)模型」與「計(jì)算神經(jīng)科學(xué)」讀書會(huì)后，集智俱樂(lè)部聯(lián)合來(lái)自數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)的一線研究者共同發(fā)起，跨越微觀、介觀與宏觀的視角，探索意識(shí)與智能的跨尺度計(jì)算、演化與涌現(xiàn)。重點(diǎn)探討物理規(guī)律與人工智能如何幫助我們認(rèn)識(shí)神經(jīng)動(dòng)力學(xué)，以及神經(jīng)活動(dòng)跨尺度的計(jì)算與演化如何構(gòu)建微觀與宏觀、結(jié)構(gòu)與功能之間的橋梁。

如何用圖靈不穩(wěn)定性的自組織理論定量理解視皮層在進(jìn)化與發(fā)育中的模式形成？我們將從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面并行出發(fā)，回顧針對(duì) OPM common design 探索的歷史長(zhǎng)河中兩者如何互相啟發(fā)并一步步揭開(kāi)其神秘面紗。

分享簡(jiǎn)介

靈長(zhǎng)類動(dòng)物的初級(jí)視皮層（primary visual cortex，V1） 擁有大量對(duì)朝向展現(xiàn)選擇性（orientation selective）的興奮性神經(jīng)元，這一經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象自50年代由諾獎(jiǎng)得主 Hubel & Wiesel 匯報(bào)起便吸引了廣泛的研究，直至今日已取得眾多突破性認(rèn)識(shí)。其中，非齒類大目動(dòng)物（Non-Glires）成熟 V1 神經(jīng)元群的偏好朝向在空間分布上呈垂直方向一致，水平方向似周期（quasi-periodic）變化的特點(diǎn)。該空間分布模式被稱為 Orientation Preference Map（OPM），其形成的機(jī)制吸引了眾多理論神經(jīng)物理學(xué)家的興趣。OPM 如何從剛出生時(shí)的 absence 到成熟時(shí)的 presence 可以用非平衡統(tǒng)計(jì)物理中的圖靈不穩(wěn)定性來(lái)定量描述，該模型預(yù)測(cè)了V1 OPM擁有奇異點(diǎn)密度（pinwheel density）為圓周率常數(shù) π 的跨物種 common design, 并于2010年由 (Kaschube et al., 2010, Science) 分析光學(xué)成像數(shù)據(jù)證實(shí)。這一轟動(dòng)性的成果推斷該 common design 是視皮層進(jìn)化的必然結(jié)果，其形成只依賴 V1 神經(jīng)元在靜息態(tài)的自組織（self-organization）而非此前長(zhǎng)期認(rèn)為的由視網(wǎng)膜和丘腦調(diào)控。在之后的15年間不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同物種的視覺(jué)實(shí)驗(yàn)證明了該推斷的可靠性。因此，如何用圖靈不穩(wěn)定性的自組織理論定量理解視皮層在進(jìn)化與發(fā)育中的模式形成（pattern formation）是本期讀書會(huì)所關(guān)心的話題，我們將從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面并行出發(fā)，回顧針對(duì) OPM common design 探索的歷史長(zhǎng)河中兩者如何互相啟發(fā)并一步步揭開(kāi)其神秘面紗。

核心關(guān)注問(wèn)題

1. 如何用數(shù)學(xué)語(yǔ)言定量地描述初級(jí)視皮層跨物種的發(fā)育動(dòng)力學(xué)？

2. 什么是朝向選擇性，為什么關(guān)心初級(jí)視皮層神經(jīng)元的朝向選擇性？

3. 實(shí)驗(yàn)和理論如何相互啟發(fā)與推動(dòng)初級(jí)視皮層的研究？

分享大綱

1. 初級(jí)視皮層的定量描述

• 視覺(jué)通路 (Early visual pathway)的涌現(xiàn)現(xiàn)象

• 朝向選擇性 (Orientation selectivity)的時(shí)空分布

• 朝向偏好圖 (Orientation preference map)與其他特征偏好圖的幾何關(guān)系

1. 視皮層的發(fā)育動(dòng)力學(xué)

• 圖靈不穩(wěn)定性

• 動(dòng)力學(xué)與自組織

• 趨同進(jìn)化 (Convergent evolution)

1. 視皮層進(jìn)化的優(yōu)化假說(shuō)

• 視網(wǎng)膜起源假說(shuō)

• 彈性網(wǎng)絡(luò) (Elastic network)假說(shuō)

• 不同偏好圖的協(xié)同優(yōu)化 (Co-optimization)假說(shuō)

主講人介紹

鄒立誠(chéng)，馬克斯普朗克動(dòng)力學(xué)與自組織研究所博士生，師從神經(jīng)物理學(xué)家Fred Wolf。本科就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院數(shù)學(xué)方向，于李松挺及周棟焯課題組取得學(xué)士學(xué)位。碩士畢業(yè)于荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)系，在讀期間曾長(zhǎng)期訪問(wèn)巴塞羅那國(guó)際數(shù)學(xué)研究中心及哥廷根靈長(zhǎng)類動(dòng)物研究所。 研究興趣：記憶的表征與存儲(chǔ)，突觸動(dòng)力學(xué)，皮層尺度的神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)模擬，初級(jí)視皮層發(fā)育與進(jìn)化的定量研究。

參與時(shí)間

2025年9月27日（周六）晚上19:00-21:00（固定時(shí)間，記得關(guān)注獲取每周分享信息～）

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領(lǐng)域必讀文獻(xiàn)11篇

介紹了為什么OPM的common design是進(jìn)化的結(jié)果。

1. Schmidt, K. E., & Wolf, F. (2021). Punctuated evolution of visual cortical circuits? Evidence from the large rodent Dasyprocta leporina, and the tiny primate Microcebus murinus. Current opinion in neurobiology, 71, 110-118.

第一次在in-vivo論證了V1的發(fā)育是自組織。

1. Mulholland, H. N., Kaschube, M., & Smith, G. B. (2024). Self-organization of modular activity in immature cortical networks. Nature communications, 15(1), 4145.

轟動(dòng)性成果，發(fā)現(xiàn)Π=visual cortex。

1. Kaschube, M., Schnabel, M., L?wel, S., Coppola, D. M., White, L. E., & Wolf, F. (2010). Universality in the evolution of orientation columns in the visual cortex. science, 330(6007), 1113-1116.

第一個(gè)也是唯一一個(gè)能定量擬合所有OPM統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)的模型

1. Wolf, F. (2005). Symmetry, multistability, and long-range interactions in brain development. Physical review letters, 95(20), 208701.

1. Smith, G. B., Hein, B., Whitney, D. E., Fitzpatrick, D., & Kaschube, M. (2018). Distributed network interactions and their emergence in developing neocortex. Nature neuroscience, 21(11), 1600-1608.

這篇文章很勇，直接否定了OPM的形成是由視網(wǎng)膜和丘腦決定的。

1. Schottdorf, M., Keil, W., Coppola, D., White, L. E., & Wolf, F. (2015). Random wiring, ganglion cell mosaics, and the functional architecture of the visual cortex. PLoS computational biology, 11(11), e1004602.

也順便推薦一些反對(duì)V1 self-organization的文獻(xiàn)，這幾篇也是經(jīng)典

1. Ferster, D., & Miller, K. D. (2000). Neural mechanisms of orientation selectivity in the visual cortex. Annual review of neuroscience, 23(1), 441-471.

2. Paik, S. B., & Ringach, D. L. (2011). Retinal origin of orientation maps in visual cortex. Nature neuroscience, 14(7), 919-925.

3. Najafian, S., Koch, E., Teh, K. L., Jin, J., Rahimi-Nasrabadi, H., Zaidi, Q., ... & Alonso, J. M. (2022). A theory of cortical map formation in the visual brain. Nature communications, 13(1), 2303.

這個(gè)模型在2025年來(lái)看確實(shí)錯(cuò)的離譜，但站在當(dāng)時(shí)的角度確實(shí)是很前沿的理論。

1. Wolf, F., & Geisel, T. (1998). Spontaneous pinwheel annihilation during visual development. Nature, 395(6697), 73-78.

社區(qū)招募：

1. Fumarola, F., Hein, B., & Miller, K. D. (2022). Mechanisms for spontaneous symmetry breaking in developing visual cortex. Physical Review X, 12(3), 031024.

計(jì)算神經(jīng)科學(xué)第三季讀書會(huì)

從單個(gè)神經(jīng)元的放電到全腦范圍的意識(shí)涌現(xiàn)，理解智能的本質(zhì)與演化始終是一個(gè)關(guān)于尺度的問(wèn)題。更值得深思的是，無(wú)論是微觀的突觸可塑性、介觀的皮層模塊自組織，還是宏觀的全局信息廣播，不同尺度的動(dòng)力學(xué)過(guò)程都在共同塑造著認(rèn)知與意識(shí)。這說(shuō)明，對(duì)心智的研究從最初就必須直面一個(gè)核心挑戰(zhàn)：局部的神經(jīng)活動(dòng)如何整合為統(tǒng)一的體驗(yàn)？局域的網(wǎng)絡(luò)連接又如何支撐靈活的智能行為？

繼「」與「」讀書會(huì)后，集智俱樂(lè)部聯(lián)合來(lái)自數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)的一線研究者共同發(fā)起，跨越微觀、介觀與宏觀的視角，探索意識(shí)與智能的跨尺度計(jì)算、演化與涌現(xiàn)。重點(diǎn)探討物理規(guī)律與人工智能如何幫助我們認(rèn)識(shí)神經(jīng)動(dòng)力學(xué)，以及神經(jīng)活動(dòng)跨尺度的計(jì)算與演化如何構(gòu)建微觀與宏觀、結(jié)構(gòu)與功能之間的橋梁。

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