Science：一斑窥全豹，突触见全貌！德国科学家揭示丘脑激活视觉皮层的微观机制

我们眼睛看到的世界，明明是连续、清晰、有方向的画面，可大脑最开始接收到的视觉信号，其实只是零散、简单的光点。我们之所以能立刻分辨出物体是往左动、往右动、是线条还是轮廓，靠的是大脑里一套精密的视觉环路。

早在几十年前，科学家就提出了经典理论：外界视觉信号先经过丘脑传递到大脑初级视觉皮层，再通过特定的空间排列，让神经元对某个方向产生优先反应。但这个过程究竟是怎么在细胞和突触上实现的，一直缺少直接、清晰的实验证据。

基于此，2026年3月26日，慕尼黑工业大学Arthur Konnerth研究团队在Science杂志发表了“Thalamic activation of the visual cortex at the single-synapse level”揭示了单突触水平上的丘脑对视觉皮层的激活。

作者研究了哺乳动物初级视觉皮层（V1）中方向选择性形成的丘脑-皮层神经计算机制。他们利用双光子谷氨酸成像和光遗传学皮层沉默技术对小鼠V1 第 4 层神经元的丘脑-皮层突触进行了鉴定与分析。结果发现，接收丘脑输入的树突棘没有突触后钙离子信号，而接收皮层间输入的树突棘则不存在这一特点。该研究直接揭示了对皮层信息处理和可塑性至关重要的特殊突触性质。

图一 针对方向调谐L4神经元突触输入的双光子Ca2+成像

作者设计了一套多步骤实验方法，在活体小鼠中研究初级视皮层V1第4层方向调谐锥体神经元上由视觉刺激激活的突触输入：先利用钙指示剂Cal‑520对该脑区进行群体钙成像，筛选出对特定方向漂移光栅敏感的方向调谐锥体神经元，再通过质粒转染使其稀疏表达jGCaMP7b，实现单个神经元及其树突棘的高信噪比标记，随后用双光子钙成像记录单突触活动；

结果显示，标记神经元的胞体、树突与树突棘均能产生稳定的钙荧光信号，方向调谐特性可保持至少一个月，视觉刺激可在树突棘上诱发明显的钙瞬变，且每个输入都对应特定的视觉方向，在所有记录样本中均呈现一致的方向偏好性；这些第4层树突棘输入大多具有高度方向选择性，方向选择性指数中值为0.56，与第2/3层神经元的皮层间输入类似，同时未观察到典型背外侧膝状体神经元带来的广谱响应钙信号，仅少量低选择性输入与兔子中方向选择性的背外侧膝状体神经元特征相近。

图二 皮层与丘脑输入的不同响应

为验证假设，研究者用双光子谷氨酸成像结合皮层沉默技术，在单个突触水平区分了两种输入：一类是皮层输入，方向选择性强，抑制皮层后信号消失；另一类是丘脑输入，方向不敏感，不受皮层抑制影响。

他们进一步在同一神经元上同时记录谷氨酸和钙信号，发现皮层输入能引发明显钙反应，而丘脑输入几乎不产生钙信号，这也解释了之前只做钙成像时为何没观察到丘脑输入。

图三 丘脑感受野的空间排列特征

Hubel 和 Wiesel 前馈模型认为，背外侧膝状体的感受野排列，能让优势方向刺激几乎同时激活丘脑神经元，但连接到同一个方向调谐第 4 层神经元的所有背外侧膝状体神经元，其感受野是如何排列的。

作者用改进的谷氨酸传感器做单突触记录，结合漂移条刺激和参数拟合，精确算出了单个丘脑皮层输入的感受野位置（这种方法不受感受野结构、视觉反应线性度影响）。

实验发现，所有丘脑输入的感受野中心都集中在视野的一小块区域；开、关中心位置大多分开，形成独立且沿某一优先轴拉长的区域，拉长程度比之前观察到的更明显。

进一步分析显示，沿神经元优先方向，开、关感受野的投影更集中，重叠率约 20%；沿正交方向投影更分散，重叠率超 80%，且所有测试神经元的感受野对齐角度，和其优先方向几乎一致，符合前馈模型预测。

总结

本研究在单突触水平解析丘脑对视觉皮层的激活机制，为Hubel‑Wiesel经典前馈模型提供了直接实验证据，明确了视觉信息从丘脑到皮层的精确输入排布与感受野空间结构，深化了对视觉方向选择性起源的认识，为解析皮层环路、视觉信息编码与神经计算提供了重要实验基础。

文章来源：

DOI: 10.1126/science.aec9923

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