体感皮层是哺乳动物大脑的一个区域，已知它在处理感官信息(包括触觉、温度和疼痛)方面发挥着至关重要的作用。虽然这个大脑区域一直是众多神经科学研究的焦点，但它对感知相关决策的独特贡献仍不太为人所知。
伦敦大学学院(UCL)的研究人员最近进行了一项实验，探索小鼠感觉皮层活动与感知决策之间的联系。他们的研究结果发表在《神经元》杂志上，暗示存在一些神经元，它们在感觉处理过程中通常保持沉默，但可以被招募来增强小鼠的感知能力。
“这项研究的灵感来自该领域的两项重大进展，”论文合著者OliverM.Gauld告诉MedicalXpress。“第一项是开发光学工具，用于同时记录和光遗传学刺激同一组皮质神经元(称为细胞分辨率‘全光学’询问)。第二项是开发研究头部固定小鼠感觉运动决策的方法。”
作为他们最近研究的一部分，Gauld和他的同事将最近开发的光学工具与感觉运动任务相结合，以研究头部固定小鼠的决策能力。他们的目标是利用这些不同的方法来识别与小鼠感官知觉产生相关的神经元和皮质活动模式。
为了开展这项研究，研究人员设计了一个简单但有效的知觉决策任务。在这项任务中，老鼠需要确定传递到它们胡须的感官刺激在它们鼻子左侧还是右侧更强。
“老鼠通过舔两个喷水嘴的左边或右边来报告它们的决定，如果反应正确，老鼠会得到糖水作为奖励，”Gauld说。“然后我们使用一种称为双光子钙成像的光学技术来记录来自体感皮层(也称为‘桶状’皮层)触须反应区域的神经活动信号。
“这使我们能够描述任务表现如何改变大脑活动——使我们能够识别哪些神经元对感官刺激的呈现作出反应。”
图片来源：Neuron(2024)。DOI：10.1016/j.neuron.2024.04.015
当Gauld和他的同事分析他们收集的双光子钙成像记录时，他们发现，在刺激小鼠的胡须后，动物皮层中一小部分(即约15%)神经元的活动会增加。这一发现与之前的研究观察结果一致，这些研究结果证明了小鼠皮层对感觉输入的“稀疏”编码。
“我们研究的关键部分是，我们随后使用一个复杂的双光子光遗传学操作系统来刺激不同组的神经元(基本上迫使这些神经元变得活跃)，并评估这是否改变了动物的感知选择，”Gauld解释说。
“具体来说，我们使用了空间光调制器(SLM)将全息光图案传送到组织中。这意味着实验者可以很好地控制哪些神经元受到光遗传学刺激——这对于研究稀疏的感觉活动模式如何因果驱动行为至关重要。”
通过结合双光子钙成像和SLM靶向光遗传学，研究人员能够在小鼠完成决策任务时表征和操纵小鼠大脑中高度稀疏的神经活动模式。
有趣的是，研究人员发现，对皮层中的“静默”神经元进行光遗传学刺激强烈影响了研究中检查的小鼠的行为。
“沉默神经元是指不显示与任务相关的活动的神经元——尽管呈现感官刺激并执行行为决策和运动动作，但仍保持不活跃状态，”Gauld说。“实验证据表明，沉默神经元构成了浅表感觉皮层中的大多数神经元，因为只有极少数神经元在感官刺激期间会激发动作电位。
“这是稀疏编码假说的标志性特征。尽管这些沉默神经元的功能作用多年来仍未得到揭示，但我们的研究表明，这些神经元可以在感觉处理中发挥重要作用，但前提是它们首先不沉默。”
总体而言，该研究小组的结果表明，当小鼠完成决策任务时，感觉皮层中“沉默”的神经元会通过非常强大的网络抑制保持安静。然而，激活其中一些神经元(例如使用SLM靶向光遗传操作工具实现的神经元)可以显著增强动物的感官知觉。
Gauld补充道：“我们的发现对于理解皮质回路如何实现稀疏皮质编码和感觉运动可塑性具有重要意义，这对于学习可能很重要。”
“未来研究的一个有趣途径是研究沉默神经元在其他皮质区域或其他行为和认知过程中的因果作用。这将为沉默神经元在大脑中的作用提供更全面的解释。”
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