为什么我们的大脑能同时保持专注和灵活？牛津团队揭示屏状核增强神经变异性机制

我们的大脑前额叶负责做决定、控制情绪和集中注意力，但它怎么被其他脑区“调音”的还不清楚。屏状核是深藏在大脑里的一小块区域，一直很神秘。

基于此，2025年11月28日，英国牛津大学生理学Adam M. Packer研究团队在Nature communications杂志发表了“The claustrum enhances neural variability by modulating the responsiveness of the prefrontal cortex”揭示了屏状核通过调节前额叶皮层的反应性来增强神经变异性。

作者利用双光子钙成像，在小鼠观看视觉刺激时同步激活投射到背侧前额叶皮层（dPFC）的屏状核轴突，观察dPFC神经元的反应。他们发现三类神经元：只对视觉刺激响应的、只对光遗传激活响应的，以及两者结合时反应更强的“增强型”细胞。研究显示，屏状核激活一方面增加了单个神经元反应的波动性，另一方面却让不同神经元的平均反应更趋一致，提升了网络整体的同步性。在学习过程中，这种高变异性持续存在，而同步性进一步增强，说明调控会随经验“微调”。当抑制屏状核活动时，这种平衡被打破，表明屏状核以双向方式维持dPFC中“个体差异”与“群体协调”之间的动态平衡。该研究揭示了屏状核在灵活调控前额叶功能中的关键作用。

图一 屏状核轴突的光遗传刺激可调节dPFC神经元的反应

作者利用光遗传学结合双光子钙成像，在小鼠观看视觉图像的同时，精准激活投射到dPFC的屏状核轴突并记录dPFC中CaMKII阳性神经元的活动。实验包括三种条件：单独视觉刺激、单独光刺激以及两者联合，每种重复30次。为避免光刺激干扰视觉系统，研究人员加装遮光装置确认未激活视网膜。

在近5万个记录神经元中，约一半对至少一种刺激有反应。其中21%主要响应视觉（感觉型），29%主要响应光刺激（光响应型），14%只在视觉+光联合时才被激活（光增强型）。值得注意的是，光刺激常引发抑制性反应，尤其在纯光响应神经元中，抑制远多于兴奋；而感觉型和光增强型神经元则兴奋与抑制大致平衡。

结果表明，屏状核输入并非简单“开/关”信号，而是以高度选择性和情境依赖的方式调控dPFC：既能增强特定神经元对感觉信息的响应，也能通过抑制机制精细调节网络活动。这种双向调制有助于在保持神经反应多样性的同时促进功能整合凸显屏状核在前额叶信息处理中的关键协调作用。

图二 屏状核轴突的调控增强了dPFC神经网络中的神经元交叉相关性

作者发现，屏状核光刺激不仅影响明显响应的神经元，还在所有动物和原本沉默的神经元中普遍增加了反应变异性，说明其调控作用广泛而深入。

进一步分析显示，屏状核的调控高度依赖神经元的基线状态：对视觉刺激反应越强的神经元，越容易被光刺激抑制；而被视觉抑制的神经元则更可能被光刺激激活。这一规律在感觉型、光响应型和光增强型三类神经元中均存在，甚至在抑制性神经元中也成立，表明是一种跨细胞类型的通用机制。

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相比之下，激活丘脑输入并未产生类似效应，说明这种调控是屏状核特有的，并非所有皮层下通路共有。

通过表征相似性分析（RSA）发现：仅视觉刺激时dPFC神经元活动呈现清晰聚类，反映功能分化；但加入屏状核刺激后，聚类消失，神经表征变得均匀。同时，局部神经元间的活动同步性显著增强，尤其在响应神经元中更明显。

有趣的是，虽然单个神经元的试次间反应变得更不稳定（变异性上升），但整体网络却更协调（同步性提高）。这说明屏状核能同时提升个体灵活性与群体一致性，可能有助于dPFC在复杂任务中动态整合信息、优化决策。

图三 训练增强了屏状核调控所诱导的神经同质性

为探究屏状核调控如何受学习经验影响，作者对小鼠进行了经典条件反射训练：80%的视觉刺激后给予水奖励。7只小鼠在10天内学会预期舔水，表明已将视觉线索与奖励关联。随后，在无任务、被动呈现该熟悉视觉刺激的条件下重复之前的光遗传记录实验。

结果显示，训练后仍可识别出相同比例的三类神经元：感觉响应型（22%）、光增强型（30%）和光响应型（12%）。但与未训练小鼠不同，训练后光响应型神经元中兴奋与抑制反应不再显著偏向抑制，提示经验改变了局部回路的平衡。

三类神经元在训练后表现出一致趋势：感觉响应型：反应幅度下降，个体差异增大；光增强型：反应更强，变异性更高；光响应型：平均反应幅度不变，但波动性增加。

尽管单个神经元的反应变异性在训练前后保持稳定，表明屏状核调控具有稳健性，但整体网络同步性显著提升。训练后神经元之间的活动相关性更高，尤其在有响应的细胞中更明显。双因素分析证实，训练效果依赖于神经元是否具有响应性。

综上，学习经验并未改变屏状核调控的基本机制，却增强了其对dPFC网络的整合效应，使神经活动在保持个体灵活性的同时更加协同，凸显屏状核在经验依赖性前额叶功能优化中的关键作用。

图四 屏状核双向调控前额叶神经变异性与同步性

为深入理解屏状核的作用，作者在未训练和已训练小鼠中进行了抑制实验：用光敏蛋白eOPN3抑制投射到dPFC的屏状核轴突活动。

结果显示，抑制屏状核后约53%的dPFC神经元仍对刺激有反应，亚群比例与激活实验相似（感觉型20%、光响应型30%、光增强型11%）。但与激活不同的是，在未训练动物中，抑制常引发更强的抑制性反应，尤其在光增强型神经元中。

尽管单个神经元的反应幅度、变异性等动态特征在激活与抑制条件下总体相似，抑制屏状核却显著更强地提升了神经元之间的同步性，其交叉相关性增幅高于激活组。分析进一步表明，这种效应受“是否训练”和“是否为响应神经元”共同影响。

有趣的是，无论小鼠是否经过学习训练，抑制实验中的神经动态变化并无明显差异，说明屏状核的调控机制相对稳定。

综上，屏状核能双向调节dPFC：激活时增强神经灵活性抑制时则更强烈地促进网络同步。这表明它像一个“调音旋钮”，根据状态灵活平衡dPFC的变异性与协调性从而优化认知与行为输出。

总结

研究结果突显了屏状核在动态调节dPFC神经活动中的关键作用，能够增强神经元反应的灵活性与同步性。屏状核轴突激活与抑制所产生的不同效应，揭示了其双向调控能力，强调了该脑区在优化大脑功能中的重要性。未来的研究应进一步探索屏状核实现这种双重调控的具体机制，并考察其在需要整合多模态感觉信息的更复杂认知任务中的作用。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65809-6

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