為什么我們的大腦能同時保持專注和靈活？牛津團隊揭示屏狀核增強神經變異性機制

我們的大腦前額葉負責做決定、控制情緒和集中注意力，但它怎么被其他腦區“調音”的還不清楚。屏狀核是深藏在大腦里的一小塊區域，一直很神秘。

基于此，2025年11月28日，英國牛津大學生理學Adam M. Packer研究團隊在Nature communications雜志發表了“The claustrum enhances neural variability by modulating the responsiveness of the prefrontal cortex”揭示了屏狀核通過調節前額葉皮層的反應性來增強神經變異性。

作者利用雙光子鈣成像，在小鼠觀看視覺刺激時同步激活投射到背側前額葉皮層（dPFC）的屏狀核軸突，觀察dPFC神經元的反應。他們發現三類神經元：只對視覺刺激響應的、只對光遺傳激活響應的，以及兩者結合時反應更強的“增強型”細胞。研究顯示，屏狀核激活一方面增加了單個神經元反應的波動性，另一方面卻讓不同神經元的平均反應更趨一致，提升了網絡整體的同步性。在學習過程中，這種高變異性持續存在，而同步性進一步增強，說明調控會隨經驗“微調”。當抑制屏狀核活動時，這種平衡被打破，表明屏狀核以雙向方式維持dPFC中“個體差異”與“群體協調”之間的動態平衡。該研究揭示了屏狀核在靈活調控前額葉功能中的關鍵作用。

圖一 屏狀核軸突的光遺傳刺激可調節dPFC神經元的反應

作者利用光遺傳學結合雙光子鈣成像，在小鼠觀看視覺圖像的同時，精準激活投射到dPFC的屏狀核軸突并記錄dPFC中CaMKII陽性神經元的活動。實驗包括三種條件：單獨視覺刺激、單獨光刺激以及兩者聯合，每種重復30次。為避免光刺激干擾視覺系統，研究人員加裝遮光裝置確認未激活視網膜。

在近5萬個記錄神經元中，約一半對至少一種刺激有反應。其中21%主要響應視覺（感覺型），29%主要響應光刺激（光響應型），14%只在視覺+光聯合時才被激活（光增強型）。值得注意的是，光刺激常引發抑制性反應，尤其在純光響應神經元中，抑制遠多于興奮；而感覺型和光增強型神經元則興奮與抑制大致平衡。

結果表明，屏狀核輸入并非簡單“開/關”信號，而是以高度選擇性和情境依賴的方式調控dPFC：既能增強特定神經元對感覺信息的響應，也能通過抑制機制精細調節網絡活動。這種雙向調制有助于在保持神經反應多樣性的同時促進功能整合凸顯屏狀核在前額葉信息處理中的關鍵協調作用。

圖二 屏狀核軸突的調控增強了dPFC神經網絡中的神經元交叉相關性

作者發現，屏狀核光刺激不僅影響明顯響應的神經元，還在所有動物和原本沉默的神經元中普遍增加了反應變異性，說明其調控作用廣泛而深入。

進一步分析顯示，屏狀核的調控高度依賴神經元的基線狀態：對視覺刺激反應越強的神經元，越容易被光刺激抑制；而被視覺抑制的神經元則更可能被光刺激激活。這一規律在感覺型、光響應型和光增強型三類神經元中均存在，甚至在抑制性神經元中也成立，表明是一種跨細胞類型的通用機制。

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相比之下，激活丘腦輸入并未產生類似效應，說明這種調控是屏狀核特有的，并非所有皮層下通路共有。

通過表征相似性分析（RSA）發現：僅視覺刺激時dPFC神經元活動呈現清晰聚類，反映功能分化；但加入屏狀核刺激后，聚類消失，神經表征變得均勻。同時，局部神經元間的活動同步性顯著增強，尤其在響應神經元中更明顯。

有趣的是，雖然單個神經元的試次間反應變得更不穩定（變異性上升），但整體網絡卻更協調（同步性提高）。這說明屏狀核能同時提升個體靈活性與群體一致性，可能有助于dPFC在復雜任務中動態整合信息、優化決策。

圖三 訓練增強了屏狀核調控所誘導的神經同質性

為探究屏狀核調控如何受學習經驗影響，作者對小鼠進行了經典條件反射訓練：80%的視覺刺激后給予水獎勵。7只小鼠在10天內學會預期舔水，表明已將視覺線索與獎勵關聯。隨后，在無任務、被動呈現該熟悉視覺刺激的條件下重復之前的光遺傳記錄實驗。

結果顯示，訓練后仍可識別出相同比例的三類神經元：感覺響應型（22%）、光增強型（30%）和光響應型（12%）。但與未訓練小鼠不同，訓練后光響應型神經元中興奮與抑制反應不再顯著偏向抑制，提示經驗改變了局部回路的平衡。

三類神經元在訓練后表現出一致趨勢：感覺響應型：反應幅度下降，個體差異增大；光增強型：反應更強，變異性更高；光響應型：平均反應幅度不變，但波動性增加。

盡管單個神經元的反應變異性在訓練前后保持穩定，表明屏狀核調控具有穩健性，但整體網絡同步性顯著提升。訓練后神經元之間的活動相關性更高，尤其在有響應的細胞中更明顯。雙因素分析證實，訓練效果依賴于神經元是否具有響應性。

綜上，學習經驗并未改變屏狀核調控的基本機制，卻增強了其對dPFC網絡的整合效應，使神經活動在保持個體靈活性的同時更加協同，凸顯屏狀核在經驗依賴性前額葉功能優化中的關鍵作用。

圖四 屏狀核雙向調控前額葉神經變異性與同步性

為深入理解屏狀核的作用，作者在未訓練和已訓練小鼠中進行了抑制實驗：用光敏蛋白eOPN3抑制投射到dPFC的屏狀核軸突活動。

結果顯示，抑制屏狀核后約53%的dPFC神經元仍對刺激有反應，亞群比例與激活實驗相似（感覺型20%、光響應型30%、光增強型11%）。但與激活不同的是，在未訓練動物中，抑制常引發更強的抑制性反應，尤其在光增強型神經元中。

盡管單個神經元的反應幅度、變異性等動態特征在激活與抑制條件下總體相似，抑制屏狀核卻顯著更強地提升了神經元之間的同步性，其交叉相關性增幅高于激活組。分析進一步表明，這種效應受“是否訓練”和“是否為響應神經元”共同影響。

有趣的是，無論小鼠是否經過學習訓練，抑制實驗中的神經動態變化并無明顯差異，說明屏狀核的調控機制相對穩定。

綜上，屏狀核能雙向調節dPFC：激活時增強神經靈活性抑制時則更強烈地促進網絡同步。這表明它像一個“調音旋鈕”，根據狀態靈活平衡dPFC的變異性與協調性從而優化認知與行為輸出。

總結

研究結果突顯了屏狀核在動態調節dPFC神經活動中的關鍵作用，能夠增強神經元反應的靈活性與同步性。屏狀核軸突激活與抑制所產生的不同效應，揭示了其雙向調控能力，強調了該腦區在優化大腦功能中的重要性。未來的研究應進一步探索屏狀核實現這種雙重調控的具體機制，并考察其在需要整合多模態感覺信息的更復雜認知任務中的作用。

文章來源

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

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