Nat Neurosci：为什么专注时能协调双手触觉？科学家揭示行为驱动型体感整合机制

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感官知觉需要大脑对来自身体两侧的刺激进行整合处理。然而，神经元如何在两个大脑半球之间绑定这些信息从而形成统一的感知，目前尚不清楚。

基于此，2025年5月14日，普渡大学Scott R. Pluta研究团队在Nature neuroscience杂志发表“Bilateral integration in somatosensory cortex is controlled by behavioral relevance”，揭示了体感皮层中的双侧整合受行为相关性调控。

在这项研究中，研究人员对执行任务的小鼠进行了大规模神经元记录，这些小鼠需要通过主动用胡须触碰物体来整合来自大脑左右半球的感觉信息。当小鼠触碰到与奖励相关的刺激物时，它们的胡须运动表现出更强的双侧对称性，同时大脑两个半球之间的神经元同步放电增强，神经活动与脑电波的耦合也更加明显。这种协调的神经活动在没有训练、未接触过相关刺激的小鼠中并不存在，这表明大脑半球之间的信息整合是一种有目标导向的内在过程，并非单纯的外部刺激反应。在初级体感皮层（S1）中，同侧的触觉输入主要增强了对侧主胡须的神经响应。这种增强效应主要出现在与奖励相关的刺激中，并且在小鼠未能做出正确反应的试验中消失。进一步实验发现，当抑制大脑两半球之间的胼胝体S1区域的信号传递时，双侧神经增强和跨半球同步性显著减弱。这项研究表明，大脑在特定行为状态下，会通过增强胼胝体的信息流动来提升触觉信息的整合能力。也就是说，大脑并不是被动地接收感觉信息，而是在有目标的行为中主动优化信息处理方式。这种机制揭示了感觉整合的一个新逻辑：它是依赖于状态和经验的动态过程。

图一 双侧胡须运动对称性反映了任务参与度和对奖励的预期

为了揭示S1中双侧整合的神经机制，研究人员设计了一种“Go/No-Go”任务：小鼠通过主动用胡须触碰物体来判断两侧物体之间的空间关系，并在识别出“Go”刺激时舔水口。每只小鼠的“Go”刺激在训练前就被设定为同位配对或异位配对的胡须组合并在实验过程中保持不变。由于这些刺激分别出现在左右两侧的胡须对上，小鼠无法仅依靠单侧胡须完成任务必须进行双侧协调。试验开始时，小鼠需在圆形跑步轮上跑动一小段距离，随后气动装置将触觉表面精确地延伸到它们胡须活动区域前方，实现单根胡须级别的刺激呈现。实验在隔音、黑暗的环境中进行，背景播放白噪音。在任务执行过程中，作者对小鼠双侧S1进行了高密度电生理记录，并以高速度对每个胡须垫进行红外成像。研究发现，在与奖励相关的“Go”刺激期间，小鼠的双侧胡须运动比“No-Go”刺激期间表现出更高的对称性。为了更系统地理解这种运动对称性的变化，引入了一个称为“双侧胡须对称性”的指标，它是基于胡须对之间角度相位一致性的计算得出。结果显示，正确拒绝试验中的双侧胡须对称性显著低于命中试验，说明小鼠在判断刺激与奖励无关后会有意降低双侧协调性。此外，与幼稚小鼠相比，熟练小鼠在试验启动前就表现出显著更高的双侧胡须对称性，表明运动对称性是一种为双侧辨别服务的主动策略。为了探究双侧胡须对称性的变化是源于任务本身的双侧结构还是仅仅反映对奖励的期待，研究人员观察了那些建立了触碰-奖励联系但并不执行双侧辨别的小鼠，发现它们的双侧胡须对称性显著更低。尽管存在这些有目标导向的运动变化，但在所有条件下，主动触碰的强度是一致的。这些数据表明，双侧胡须对称性是由对奖励的期待和积极参与双侧辨别共同驱动的。

图二 在与奖励相关的主动触碰过程中，S1神经元中出现双侧整合现象

为了研究行为相关性对S1神经元双侧整合的影响，研究人员将神经元放电活动与主动触碰的起始时间对齐。这种方法使他们能够将神经元的发放率与一个基本的刺激特征联系起来。为了确定每个神经元对应的“主胡须”，实验中定期给小鼠呈现单根胡须刺激，这种刺激不影响任务表现。研究发现，只有在双侧刺激与奖励相关时，同侧的触碰才会增强S1神经元对主胡须刺激的反应。为了量化这一现象，研究人员计算了一个双侧整合指数，该指数基于主胡须响应与双侧响应之间的归一化差异。在熟练小鼠中，S1神经元对各自对应的“Go”刺激表现出显著更强的双侧增强效应，而对“No-Go”刺激则没有这种增强。而在未接受训练的小鼠中，无论刺激如何配置，S1神经元群体都没有表现出明显的双侧整合。此外，在熟练小鼠中，表现出显著双侧增强效应的神经元比例翻倍，其中78%的S1神经元更偏好双侧触碰而非单侧主胡须触碰。重要的是，在那些期待奖励但并不执行双侧辨别的小鼠中，S1神经元也未表现出显著的双侧整合。这表明，双侧整合是由行为相关性调控的，而不是单纯的感官输入或奖励预期本身。进一步分析显示，这种双侧增强效应不能用双侧触碰之间的时间间隔或试验中总触碰次数的差异来解释。然而，当同侧触碰早于对侧触碰超过12毫秒时，双侧增强效应减弱，说明同侧促进作用存在一个有限的时间窗口。在与奖励相关的刺激条件下，随着皮层层级加深，双侧整合逐渐增强，这是由于双侧促进的可能性增加、抑制的可能性减少所致。而在未接受训练的动物中，这种变化趋势并不存在。此外，无论是潜在的锥体细胞还是快速放电的中间神经元，它们在双侧整合的表现上没有明显差异。尽管任务不要求小鼠区分单侧和双侧刺激，研究人员仍比较了HM（同位配对）和HT（异位配对）刺激下S1神经元的响应。结果显示，在熟练小鼠中，当对比具有相同对侧胡须的HM和HT刺激时，S1神经元更倾向于响应与奖励相关的双侧刺激；熟练小鼠中对单侧同侧触碰有显著响应的神经元比例几乎是naïve小鼠的两倍，说明通过学习S1神经元增强了对同侧信息的整合能力。

图三 S1神经元的双侧整合受任务表现的调节

作者假设如果存在一种内部机制动态控制S1中的双侧整合，那么在熟练小鼠任务执行错误的试验中这种机制会发生改变。首先分析了Miss试验，这类试验通常发生在实验接近尾声时此时的小鼠可能更接近饱足状态，参与度较低。作者仅纳入那些完成了至少100次与Miss相关的触碰试验的小鼠进行分析。尽管小鼠在Miss试验中保持了相似的胡须运动和触碰动作，但在大量S1神经元中双侧触碰反应发生了显著变化，最常见的变化是双侧增强效应减弱。接着分析了False Alarm试验，这类试验多出现在实验初期，此时小鼠更渴望获得水奖励。作者也仅分析完成了至少100次FA相关触碰的小鼠。在FA试验中，小鼠表现出更高的双侧胡须对称性，这可能反映了它们对奖励的更高预期，但主动触碰的强度并未改变。在大多数S1神经元中，双侧触碰反应也发生了显著变化，其中最常见的是双侧增强效应增加。综上所述，这些结果揭示了在大量S1神经元中，双侧整合的程度与任务表现密切相关，表明这种整合是一种受内部状态调控的动态过程，并不仅仅依赖于外部刺激本身。

总结

总的来说，这项研究为S1中双侧整合的机制提供了新的见解，并挑战了长期以来关于刺激竞争的模型。本研究的基础是一种创新的行为范式，其中未受指令的运动行为可以反映任务的参与度和对奖励的预期。最重要的是，作者发现主动参与双侧协调会使体感皮层从两个独立的侧化回路转变为一个统一的整体表征。未来的研究将聚焦于解析控制双侧感知状态依赖性逻辑的多种神经回路和细胞类型。

文章来源

https://doi.org/10.1101/2024.05.28.596311