Neuron丨与知觉决策相关的感觉皮层活动模式

2024年5月9日，伦敦大学Michael H€ausser团队在Neuron发表“A latent pool of neurons silenced by sensory-evoked inhibition can be recruited to enhance perception”，揭示了可以招募因感觉诱发抑制而沉默的潜在神经元池来增强感知。

为了研究感觉皮层中哪些活动模式与知觉决策相关，作者结合双光子钙成像和靶向双光子光遗传学探究知觉辨别过程中桶状皮层的活动，训练小鼠辨别双侧胡须的偏转。双光子钙成像显示第2/3层对侧和同侧胡须输入的稀疏编码，大多数神经元在任务期间保持沉默。光刺激激活锥体神经元会引起感知偏差，该偏差随着光刺激的神经元数量而变化。这种效应主要是由非编码神经元的光遗传激活，这些神经元在任务执行过程中没有表现出感觉或运动相关的活动。作者的研究结果表明，在感觉处理过程中，可以招募一组非编码神经元来增强感知，这些神经元在感觉处理过程中受到网络抑制的选择性抑制。

图1 一种探测胡须感知的双边辨别任务

为了探究桶状皮层活动与刺激感知之间的关系，作者开发了一种头部固定的小鼠胡须识别任务。首先使用病毒在桶状皮质神经元中共同表达gcamp6和兴奋性视蛋白C1V1。在任务过程中，对侧和同侧胡须同时偏转，小鼠辨别较大振幅的一侧，并通过定向舔舐表明它们的选择，在小鼠之间平衡了刺激-反应的偶然性。在对称偶发性上训练的小鼠学习到了较强的刺激侧和目标“舔”反应之间的一致空间映射。当使用较弱的刺激时，错过率和反应时间增加，而胡须修剪消除了刺激检测。单侧注射桶状皮质的muscimol选择性地损害了对侧试验，表明表现既需要胡须输入，也需要桶状皮质。在这些过程中的表现表明，小鼠通过双侧整合刺激来解决任务。作者还探讨了双侧辨别的时间限制，时间间隔导致了强烈的选择偏差，与主要刺激侧相一致，并在100 ms时饱和。在对称训练的小鼠中，时间敏感性显得更强，并与胡须试验中的平均反应时间s相关。总之，以上研究结果表明，胡须系统支持双边触觉输入的精细辨别，桶状皮层可以在刺激输入的100毫秒内产生稳定的感官知觉来指导行为。

图2 桶状皮层的大量光遗传激活会引起一种对侧的知觉

在学习之后，使用LED光刺激表达c1v1的锥体神经元，并测量一个单一的光遗传刺激是否可以“欺骗”小鼠报告对侧胡须偏转。作者计算了一个“欺骗指数”，即光遗传刺激诱发对侧刺激的概率差异。桶状皮层的光遗传刺激诱发错觉知觉反应，随着刺激能力的增加而增加索引。光遗传刺激在对称训练的小鼠中诱发对侧舔舐，而在不对称训练的小鼠中诱发同侧舔舐。胡须和LED试验的平均反应时间高度相关，在对称训练的小鼠中测量了更快的LED诱发反应时间。

因此，作者的研究结果证实了桶状皮层的大规模光遗传激活足以唤起对侧须感知，并启动针对特定于习得感觉运动情境的目标导向的“动作”。接下来，作者们评估了在胡须识别阈值下，光基因操纵桶状皮层是否会偏向于感知选择。通过光基因激活表达C1V1的（PV）中间神经元来沉默桶状皮质。同时刺激PV中间神经元与阈值刺激输入对同侧须有偏倚选择。这种效应随着光抑制潜伏期的作用而降低，并且在TS作用100 ms后消失。在PS和光抑制实验中，LED呈现没有改变阈值刺激试验的错过率。通过激活PV中间神经元对桶状皮质进行光抑制，增加对侧须选择的反应时间，而降低同侧须选择的反应时间。反应时间效应也随着LED发病潜伏期的变化而降低。总之，作者的实验表明，单侧PS和光抑制在100 ms内的知觉决策和感知速度上产生了反向和时间依赖的偏差，这表明桶状皮层在任务执行过程中的知觉加工中起着因果但短暂的作用。

图3 利用双光子钙成像技术来表征任务诱发活动

为了表征与任务相关的神经活动，作者使用2P钙成像记录了表达gcamp6的L2/3神经元。由于最初的实验表明，小鼠在输入胡须后执行快速决策，开发了一个延迟反应版本的任务，来分离“感觉”和“行动”。小鼠通过双向区分偏转振幅来解决这个任务，类似于单须任务。在刺激呈现后（500 ms），小鼠会延迟舔舐1秒，直到被提示用听觉提示做出反应。然后将一个机动舔口转换到位置，以启动响应窗口。小鼠学习后在5 × 5个矩阵刺激集上进行训练。辨别能力与接受非延迟任务训练的小鼠队列相似，表明单须无延迟任务和多须延迟任务之间的潜在知觉辨别任务是相似的。然后，作者在任务执行过程中对L2/3进行成像，同时使用同步视频来量化任务诱发的运动和舔舐。以上结果表明，在任务执行过程中，只有L2/3神经元提供可靠的刺激编码。在L2/3群体中刺激选择性和CP之间没有明显的相关性。

综上所述，使用全光学询问来探测桶状皮层中的稀疏编码。发现对任务沉默神经元进行有针对性的光刺激会引起知觉选择偏差，并且这些神经元在胡须处理过程中受到抑制作用的选择性抑制。该发现表明，可以招募沉默神经元来增强行为。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.04.015

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