體感皮層是哺乳動物大腦的一個區域，已知它在處理感官信息(包括觸覺、溫度和疼痛)方面發揮著至關重要的作用。雖然這個大腦區域一直是眾多神經科學研究的焦點，但它對感知相關決策的獨特貢獻仍不太為人所知。

倫敦大學學院(UCL)的研究人員最近進行了一項實驗，探索小鼠感覺皮層活動與感知決策之間的聯系。他們的研究結果發表在《神經元》雜志上，暗示存在一些神經元，它們在感覺處理過程中通常保持沉默，但可以被招募來增強小鼠的感知能力。

“這項研究的靈感來自該領域的兩項重大進展，”論文合著者OliverM.Gauld告訴MedicalXpress。“第一項是開發光學工具，用于同時記錄和光遺傳學刺激同一組皮質神經元(稱為細胞分辨率‘全光學’詢問)。第二項是開發研究頭部固定小鼠感覺運動決策的方法。”

作為他們最近研究的一部分，Gauld和他的同事將最近開發的光學工具與感覺運動任務相結合，以研究頭部固定小鼠的決策能力。他們的目標是利用這些不同的方法來識別與小鼠感官知覺產生相關的神經元和皮質活動模式。

為了開展這項研究，研究人員設計了一個簡單但有效的知覺決策任務。在這項任務中，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還是右側更強。

“老鼠通過舔兩個噴水嘴的左邊或右邊來報告它們的決定，如果反應正確，老鼠會得到糖水作為獎勵，”Gauld說。“然后我們使用一種稱為雙光子鈣成像的光學技術來記錄來自體感皮層(也稱為‘桶狀’皮層)觸須反應區域的神經活動信號。

“這使我們能夠描述任務表現如何改變大腦活動——使我們能夠識別哪些神經元對感官刺激的呈現作出反應。”

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

當Gauld和他的同事分析他們收集的雙光子鈣成像記錄時，他們發現，在刺激小鼠的胡須后，動物皮層中一小部分(即約15%)神經元的活動會增加。這一發現與之前的研究觀察結果一致，這些研究結果證明了小鼠皮層對感覺輸入的“稀疏”編碼。

“我們研究的關鍵部分是，我們隨后使用一個復雜的雙光子光遺傳學操作系統來刺激不同組的神經元(基本上迫使這些神經元變得活躍)，并評估這是否改變了動物的感知選擇，”Gauld解釋說。

“具體來說，我們使用了空間光調制器(SLM)將全息光圖案傳送到組織中。這意味著實驗者可以很好地控制哪些神經元受到光遺傳學刺激——這對于研究稀疏的感覺活動模式如何因果驅動行為至關重要。”

通過結合雙光子鈣成像和SLM靶向光遺傳學，研究人員能夠在小鼠完成決策任務時表征和操縱小鼠大腦中高度稀疏的神經活動模式。

有趣的是，研究人員發現，對皮層中的“靜默”神經元進行光遺傳學刺激強烈影響了研究中檢查的小鼠的行為。

“沉默神經元是指不顯示與任務相關的活動的神經元——盡管呈現感官刺激并執行行為決策和運動動作，但仍保持不活躍狀態，”Gauld說。“實驗證據表明，沉默神經元構成了淺表感覺皮層中的大多數神經元，因為只有極少數神經元在感官刺激期間會激發動作電位。

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

總體而言，該研究小組的結果表明，當小鼠完成決策任務時，感覺皮層中“沉默”的神經元會通過非常強大的網絡抑制保持安靜。然而，激活其中一些神經元(例如使用SLM靶向光遺傳操作工具實現的神經元)可以顯著增強動物的感官知覺。

Gauld補充道：“我們的發現對于理解皮質回路如何實現稀疏皮質編碼和感覺運動可塑性具有重要意義，這對于學習可能很重要。”

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