Current Biology丨躯体感觉皮层动态适应重复的触觉刺激

神经元对感觉刺激产生适应是一种普遍现象，这可以通过不断校准神经元的输出来优化编码外部刺激的效率。适应性的缺失可能导致一些感觉过敏病症，如脆性X综合征（FXS）。

先前关于适应性的研究主要集中在单个神经元水平、或是利用切片以及在麻醉状态下观察，而在这篇7月25日在Current Biology发表的名为Adapting and facilitating responses in mousesomatosensory cortex are dynamic and shaped byexperience的文章，则使用在体双光子钙成像和Neuropixels技术研究了清醒成年小鼠S1BF中兴奋性神经元对触觉刺激的适应性，以及其在长期的动态可塑性。

实验范式

研究者们使用在体双光子钙成像（2PCI）记录小鼠初级躯体感觉皮层（S1BF）区域L2/3层兴奋性神经元对触须刺激的反应。在实验中，小鼠头部固定，身体也被轻柔地固定在有机玻璃管中，研究者们通过连接到压电致动器的尼龙丝梳来对小鼠进行刺激，该装置在刺激时候可以让鼻子一侧的前的大部分胡须进行偏转。刺激频率为5 Hz或12.5 Hz，每次刺激持续1秒，间隔3秒。

L2/3在重复刺激下产生“适应型”和“加强型”神经元

研究者首先确定L2/3层神经元对触须刺激的响应特性，发现多数L2/3神经元对触须刺激没有响应，但对12.5 Hz刺激响应的神经元比例略高于5 Hz。单个神经元之间对刺激的反应差异很大，有些对多数刺激有反应，有些仅对部分刺激有反应。在群体层面，神经元对触须刺激呈现适应性，即随着持续的刺激，神经元对刺激响应的放电逐渐减弱。通过计算适应指数（AI），研究者把神经元区分为刺激“适应型”或刺激“促进型”，前者随着刺激次数增加放电会减弱，而后者对刺激的响应强度会逐渐加强。适应型神经元（18.6%）的比例高于促进型神经元（7.2%），两者在空间分布上并没有明显的分离或集群。

不同频率刺激下的神经元活动

此外，研究者还分析了同一动物在12.5 Hz的触须刺激下的神经元反应，发现适应型和促进型神经元的比例和5 Hz刺激的情况相似。由于先前研究发现更高频率下的适应性似乎更高，因此，实验者用另一组小鼠探究了S1BF区域对25和50 Hz触须刺激的反应，发现25和50 Hz下适应性神经元比例更高，促进性神经元比例略微降低。

此外，多根触须的共同活动会强烈激活抑制作用，可能导致适应性增强。为了探究这个问题，研究者修剪掉C2以外的其它触须，对单触须的响应进行了探究。结果显示，单触须和多触须接受刺激下产生的适应性和促进性细胞的比例相似，但高频率刺激下神经元的适应性更强。

动物的状态不是神经元活动变化的诱因

之后，研究者考虑到了动物的状态对适应性的影响。例如，小鼠在首次接受触须刺激时是否会因突然的刺激而被唤醒，但随后又逐渐习惯？因此，他们追踪了在高频刺激下小鼠的瞳孔大小的变化。结果显示，随着20次触须刺激不断进行，瞳孔大小的增幅不到50%。此外，神经元的适应发生得很快，仅几次刺激后就出现，而瞳孔扩张则较为缓慢；在每轮刺激前也没有观察到瞳孔大小的显著波动。这些证据表明，神经元的适应性特征不是由于动物的状态发生变化导致的。

此外，为了排除双光子技术时间分辨率较低带来的影响，研究者也使用了Neuropixels记录L2/3层神经元活动，验证了适应型和促进型神经元的存在。

适应型神经元在频率改变后出现提高放电

在发现了S1BF中的适应型和促进型神经元后，作者想进一步探究这些神经元的放电特征是否会随着刺激参数或经验发生变化。首先，研究者进行了突然切换刺激频率的频率转换实验来探究频率的影响，结果发现不论频率如何，实验次数增加后所有神经元的平均响应都逐渐减弱，但高频率刺激下的减弱程度略高。

在频率转换后，促进型神经元反应峰值没有显著变化，而适应性神经元在切换到高频率后，反应峰值明显增加，且这种增加是逐渐出现的。

Neuropixels探针记录的结果也进一步证实了先前筛选的适应型神经元在刺激频率升高时其放电显著升高的现象，即表现出促进型，而促进型神经元则没有这种变化。在这些实验中，L2/3层神经元的适应性特佂表现出显著的动态变化，多数神经元的适应性/促进型特征在转换实验中发生了改变。

L2/3神经元编码在短期（几十分钟）的动态变化

鉴于S1BF区域内个体神经元的反应特性各异，并且在频率转换实验中其适应特性表现出高度动态性，他们研究了这些神经元在几十分钟时间尺度上的稳定性。通过重复进行5 Hz的刺激（每4-5分钟进行20次刺激，连续进行六轮），发现每轮中记录到的对触须刺激有响应的神经元比例平均保持稳定，但响应的具体神经元在各轮中有所变化。随着刺激轮次的增加，响应神经元总数逐渐增加，这表明个体神经元对触须刺激的响应是随机的，但在群体水平上，约20%的L2/3神经元始终可以响应于刺激。

随着不断重复触须刺激，神经元群体总体变得更适应。L2/3神经元在不同轮次的触须刺激中似乎表现出随机的适应特性，例如在一轮中表现为适应型，而在随后的轮次中则可能变得无响应或又表现出适应。不过，虽然许多神经元的适应特性表现出高度随机性，但极少数细胞会彻底改变其特性。

L2/3层神经元在跨天成像中的放电表征产生漂移

以上研究结果表明，即使在单次不到1小时的成像过程中，L2/3层神经元对触须刺激的编码也会发生漂移。接下来，研究者们研究了跨天记录到的对感觉刺激的动态适应过程。他们在8只老鼠的相同视野下进行了跨越8-9天的成像，记录L2/3兴奋性神经元对20次50 Hz刺激的反应, 并用CellReg识别了第1天和后续成像中都活跃的相同神经元。结果发现，相同神经元在每天的实验中对触须刺激的反应极其多样，有些在某天只对几次刺激有反应的细胞在另一日可能对大多数刺激有反应，反之亦然。

此外，多数神经元在几天的记录中都没有维持最初的反应特性，尽管大多数非响应性神经元在第1天到第8/9天都保持非响应状态，但绝大多数刺激响应形神经元显示出反应特性的变化。且重复多天的触须刺激会导致群体层面的适应特性逐渐减弱。

L4层神经元和丘脑皮层对感觉刺激的适应

L2/3层神经元的适应和促进特性可能源于L2/3层内部，也可能来自上游的神经通路，如L4层或丘脑。L4层是丘脑皮层输入的主要接收者，有可能继承源自丘脑的强适应性。为了探究这一点，研究者们换用Scnn1a-Cre;GCaMP6sfl/fl小鼠中记录了L4棘状星形细胞的反应动态，看是否其也表现出相同的适应特征。结果显示， L4层中响应刺激的神经元的平均比例更低。8天的持续成像中，L4层群体中弱适应型神经元的比例下降，而强促进型神经元的比例增加，这一点在L2/3层中未观察到。此外，跨天中同时记录到的L4层神经元的表征也出现明显的漂移。

丘脑皮层轴突投射到大脑皮层，并在信息传递和感觉处理方面起关键作用。接下来，研究人员希望揭示丘脑对皮层神经元的影响以及丘脑-皮层通路在感官适应性中的机制。他们在小鼠中VPM注射表达GCaMP6s的病毒来研究投射到S1BF的L4层的丘脑皮层轴突的感官适应性。结果发现，大约三分之一的丘脑轴突末梢的突触小结对触须刺激有反应，且表现出显著的适应性。与皮层神经元类似，单个突触小结表现出适应型和促进型响应，但表现适应反应的突触小结比例远高于促进反应的比例。

综上，该研究探究了小鼠躯体感觉皮层对触觉刺激的响应，将其分为随着重复减弱响应的“适应型”和加强响应的“促进型”神经元，并在短时间尺度和长时间尺度下神经元群体适应性的动态变化过程。

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