體感皮層是哺乳動(dòng)物大腦的一個(gè)區(qū)域，已知它在處理感官信息(包括觸覺、溫度和疼痛)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。雖然這個(gè)大腦區(qū)域一直是眾多神經(jīng)科學(xué)研究的焦點(diǎn)，但它對(duì)感知相關(guān)決策的獨(dú)特貢獻(xiàn)仍不太為人所知。

倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)的研究人員最近進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，探索小鼠感覺皮層活動(dòng)與感知決策之間的聯(lián)系。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《神經(jīng)元》雜志上，暗示存在一些神經(jīng)元，它們?cè)诟杏X處理過程中通常保持沉默，但可以被招募來增強(qiáng)小鼠的感知能力。

“這項(xiàng)研究的靈感來自該領(lǐng)域的兩項(xiàng)重大進(jìn)展，”論文合著者OliverM.Gauld告訴MedicalXpress。“第一項(xiàng)是開發(fā)光學(xué)工具，用于同時(shí)記錄和光遺傳學(xué)刺激同一組皮質(zhì)神經(jīng)元(稱為細(xì)胞分辨率‘全光學(xué)’詢問)。第二項(xiàng)是開發(fā)研究頭部固定小鼠感覺運(yùn)動(dòng)決策的方法。”

作為他們最近研究的一部分，Gauld和他的同事將最近開發(fā)的光學(xué)工具與感覺運(yùn)動(dòng)任務(wù)相結(jié)合，以研究頭部固定小鼠的決策能力。他們的目標(biāo)是利用這些不同的方法來識(shí)別與小鼠感官知覺產(chǎn)生相關(guān)的神經(jīng)元和皮質(zhì)活動(dòng)模式。

為了開展這項(xiàng)研究，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的知覺決策任務(wù)。在這項(xiàng)任務(wù)中，老鼠需要確定傳遞到它們胡須的感官刺激在它們鼻子左側(cè)還是右側(cè)更強(qiáng)。

“老鼠通過舔兩個(gè)噴水嘴的左邊或右邊來報(bào)告它們的決定，如果反應(yīng)正確，老鼠會(huì)得到糖水作為獎(jiǎng)勵(lì)，”Gauld說。“然后我們使用一種稱為雙光子鈣成像的光學(xué)技術(shù)來記錄來自體感皮層(也稱為‘桶狀’皮層)觸須反應(yīng)區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)。

“這使我們能夠描述任務(wù)表現(xiàn)如何改變大腦活動(dòng)——使我們能夠識(shí)別哪些神經(jīng)元對(duì)感官刺激的呈現(xiàn)作出反應(yīng)。”

圖片來源：Neuron(2024)。DOI：10.1016/j.neuron.2024.04.015

當(dāng)Gauld和他的同事分析他們收集的雙光子鈣成像記錄時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，在刺激小鼠的胡須后，動(dòng)物皮層中一小部分(即約15%)神經(jīng)元的活動(dòng)會(huì)增加。這一發(fā)現(xiàn)與之前的研究觀察結(jié)果一致，這些研究結(jié)果證明了小鼠皮層對(duì)感覺輸入的“稀疏”編碼。

“我們研究的關(guān)鍵部分是，我們隨后使用一個(gè)復(fù)雜的雙光子光遺傳學(xué)操作系統(tǒng)來刺激不同組的神經(jīng)元(基本上迫使這些神經(jīng)元變得活躍)，并評(píng)估這是否改變了動(dòng)物的感知選擇，”Gauld解釋說。

“具體來說，我們使用了空間光調(diào)制器(SLM)將全息光圖案?jìng)魉偷浇M織中。這意味著實(shí)驗(yàn)者可以很好地控制哪些神經(jīng)元受到光遺傳學(xué)刺激——這對(duì)于研究稀疏的感覺活動(dòng)模式如何因果驅(qū)動(dòng)行為至關(guān)重要。”

通過結(jié)合雙光子鈣成像和SLM靶向光遺傳學(xué)，研究人員能夠在小鼠完成決策任務(wù)時(shí)表征和操縱小鼠大腦中高度稀疏的神經(jīng)活動(dòng)模式。

有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)皮層中的“靜默”神經(jīng)元進(jìn)行光遺傳學(xué)刺激強(qiáng)烈影響了研究中檢查的小鼠的行為。

“沉默神經(jīng)元是指不顯示與任務(wù)相關(guān)的活動(dòng)的神經(jīng)元——盡管呈現(xiàn)感官刺激并執(zhí)行行為決策和運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，但仍保持不活躍狀態(tài)，”Gauld說。“實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，沉默神經(jīng)元構(gòu)成了淺表感覺皮層中的大多數(shù)神經(jīng)元，因?yàn)橹挥袠O少數(shù)神經(jīng)元在感官刺激期間會(huì)激發(fā)動(dòng)作電位。

“這是稀疏編碼假說的標(biāo)志性特征。盡管這些沉默神經(jīng)元的功能作用多年來仍未得到揭示，但我們的研究表明，這些神經(jīng)元可以在感覺處理中發(fā)揮重要作用，但前提是它們首先不沉默。”

總體而言，該研究小組的結(jié)果表明，當(dāng)小鼠完成決策任務(wù)時(shí)，感覺皮層中“沉默”的神經(jīng)元會(huì)通過非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)抑制保持安靜。然而，激活其中一些神經(jīng)元(例如使用SLM靶向光遺傳操作工具實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)元)可以顯著增強(qiáng)動(dòng)物的感官知覺。

Gauld補(bǔ)充道：“我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解皮質(zhì)回路如何實(shí)現(xiàn)稀疏皮質(zhì)編碼和感覺運(yùn)動(dòng)可塑性具有重要意義，這對(duì)于學(xué)習(xí)可能很重要。”

“未來研究的一個(gè)有趣途徑是研究沉默神經(jīng)元在其他皮質(zhì)區(qū)域或其他行為和認(rèn)知過程中的因果作用。這將為沉默神經(jīng)元在大腦中的作用提供更全面的解釋。”