Nat Neurosci 顛覆傳統(tǒng)層級(jí)論，揭示大腦感知皮層的“雙向”智慧

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基本信息：

Title:An adaptive and flexible role for primary sensory cortex

發(fā)表時(shí)間：2025.11.27

Journal:Nature neuroscience

影響因子：20.0

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研究動(dòng)機(jī)與背景

經(jīng)典神經(jīng)科學(xué)觀點(diǎn)將感覺(jué)感知視為從外周經(jīng)丘腦至初級(jí)皮層（如S1）的單向?qū)蛹?jí)前饋過(guò)程，認(rèn)為初級(jí)皮層僅負(fù)責(zé)形成靜態(tài)表征；然而，近期嚙齒類研究揭示了初級(jí)皮層隨學(xué)習(xí)、環(huán)境或損傷而改變的靈活性，有力挑戰(zhàn)了這一假說(shuō)。面對(duì)既往靈長(zhǎng)類電生理研究（顯示S1不編碼決策）與現(xiàn)代嚙齒類成像研究（顯示S1高度相關(guān)決策）之間的顯著分歧，本文旨在通過(guò)解析這種矛盾，深入探討初級(jí)感覺(jué)皮層究竟是被動(dòng)的感官中繼站，還是一個(gè)能整合環(huán)境背景、通過(guò)自上而下的反饋調(diào)節(jié)來(lái)支持適應(yīng)性行為的靈活中樞。

Fig. 1 | Basic principles of sensory processing from periphery to thalamus to cortex.

作者觀點(diǎn)

本文屬于觀點(diǎn)（Perspective）文章，旨在系統(tǒng)回顧并綜合不同層面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)構(gòu)建新理論。作者在文中提出了一個(gè)核心假設(shè)：初級(jí)感覺(jué)皮層功能的轉(zhuǎn)變反映了一個(gè)反饋過(guò)程（即自上而下的影響）。來(lái)自高階皮層區(qū)域的信號(hào)重塑了感覺(jué)皮層的活動(dòng)，以整合基于情境（Context）和經(jīng)驗(yàn)（Experience）的信息。這種整合反過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)了隨后的前饋信號(hào)，使行為能夠與不斷變化的任務(wù)需求保持一致。

為證明假設(shè)的可靠性，首先，作者從充分性（Sufficiency）的角度出發(fā)，對(duì)比分析了靈長(zhǎng)類單細(xì)胞電生理記錄與嚙齒類雙光子成像在“感覺(jué)-行為轉(zhuǎn)換”任務(wù)中的不同結(jié)果，以此探討技術(shù)手段和物種差異如何影響對(duì)S1功能的解讀。接著，從必要性（Necessity）的角度出發(fā)，梳理了光遺傳抑制、藥理學(xué)失活及皮層損傷（Lesion）研究，揭示了S1在簡(jiǎn)單檢測(cè)任務(wù)中可被補(bǔ)償（如通過(guò)POm-S2通路），但在復(fù)雜辨別和適應(yīng)性任務(wù)中不可或缺的現(xiàn)象。最后，作者結(jié)合反轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)（Reversal learning）和預(yù)測(cè)編碼（Predictive coding）理論，論證了自上而下的反饋信號(hào)（如來(lái)自眶額皮層OFC）如何重塑S1的活動(dòng)，從而支持其提出的“雙向、分布式、適應(yīng)性”的感覺(jué)處理新框架。

核心論點(diǎn)

觀點(diǎn)1：S1在決策中的“充分性”存在物種與方法學(xué)的分歧

Fig 2展示了靈長(zhǎng)類和嚙齒類在執(zhí)行觸覺(jué)檢測(cè)任務(wù)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)差異。在猴子的電生理記錄中，S1活動(dòng)與決策結(jié)果（擊中與失誤）無(wú)顯著差異（Fig 2e），表現(xiàn)為純粹的感覺(jué)編碼 。而在小鼠的雙光子成像中，S1（來(lái)自于S2的軸突投射）表現(xiàn)出明顯的決策相關(guān)活動(dòng)（Fig 2f）。這表明S1在特定條件下（如嚙齒類模型或特定成像深度）包含了受反饋調(diào)節(jié)的行為信號(hào) 。

Fig. 2 | Neural representation of stimulus and behavioral responses studied with two distinct approaches.

觀點(diǎn)2：S1的“必要性”取決于任務(wù)復(fù)雜度與情境

Fig 3總結(jié)了S1損傷對(duì)不同任務(wù)的影響。對(duì)于簡(jiǎn)單的檢測(cè)任務(wù)（Fig 3a），S1損傷僅導(dǎo)致短暫的行為受損，隨后動(dòng)物通過(guò)補(bǔ)償機(jī)制（可能涉及丘腦POm核團(tuán)到S2的通路）迅速恢復(fù) 。然而，對(duì)于復(fù)雜的辨別任務(wù)（Fig 3b）或需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律調(diào)整策略的適應(yīng)性行為（Fig 3c），S1的完整性是必須的，損傷會(huì)導(dǎo)致永久性缺陷 。這說(shuō)明S1在處理復(fù)雜認(rèn)知需求時(shí)不可被替代。

Fig. 3 | Evaluating behavioral performance in S1-lesioned mice.

觀點(diǎn)3：經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)通過(guò)反饋重塑S1的功能

Fig 4展示了S1如何隨經(jīng)驗(yàn)發(fā)生可塑性變化。在反轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)任務(wù)中（Fig 4a, b），來(lái)自眶額皮層（OFC）的反饋信號(hào)幫助S1重新映射對(duì)紋理的編碼 。在長(zhǎng)期的適應(yīng)性訓(xùn)練中（Fig 4d），S1的神經(jīng)活動(dòng)逐漸演變，從單純的刺激表征轉(zhuǎn)變?yōu)榘m應(yīng)性決策信號(hào)，且這種轉(zhuǎn)變依賴于訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)的積累 。

Fig. 4 | Adaptive sensing and decision-making.

觀點(diǎn)4：構(gòu)建“雙向分布式”的動(dòng)態(tài)處理模型

Fig 5綜合提出了一個(gè)新的概念框架。在基線狀態(tài)下，S1可能主要處理前饋信息；但在S1受損時(shí)，替代通路（如丘腦-S2）可維持基本功能（Fig 5c）。在學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境變化時(shí)（Fig 5e），系統(tǒng)從前饋主導(dǎo)轉(zhuǎn)向雙向互動(dòng)，高階區(qū)域（如S2, OFC）的反饋信號(hào)增強(qiáng)，使S1能夠處理預(yù)測(cè)誤差并支持靈活行為 。

Fig. 5 | Possible adaptive roles of S1 across behavioral conditions.

省流總結(jié)

本文針對(duì)初級(jí)感覺(jué)皮層（如S1）僅作為靜態(tài)特征提取器的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，通過(guò)綜合對(duì)比跨物種的行為學(xué)、電生理及成像研究證據(jù)，提出了一種“雙向分布式”的動(dòng)態(tài)處理模型 。研究指出，S1并非單純的被動(dòng)中繼，而是一個(gè)具備高度適應(yīng)性的靈活中樞，其功能不僅依據(jù)任務(wù)復(fù)雜度在“可被補(bǔ)償”與“不可或缺”之間切換，更受到學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)及自上而下反饋信號(hào)（如來(lái)自眶額皮層）的動(dòng)態(tài)重塑，從而在復(fù)雜多變的環(huán)境中通過(guò)預(yù)測(cè)編碼機(jī)制支持適應(yīng)性行為

AI 銳評(píng)

這篇文章展現(xiàn)了極佳的理論整合力，不僅巧妙調(diào)和了靈長(zhǎng)類與嚙齒類研究在皮層功能歸屬上的長(zhǎng)期分歧，還引入預(yù)測(cè)編碼理論構(gòu)建了層層遞進(jìn)的動(dòng)態(tài)功能圖景，為理解感覺(jué)皮層的可塑性提供了極具啟發(fā)性的新框架。盡管其對(duì)S1損傷后的具體皮層下補(bǔ)償通路（如POm-S2）的推斷仍缺乏決定性的阻斷證據(jù)，且將嚙齒類胡須系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)直接外推至靈長(zhǎng)類復(fù)雜感知時(shí)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，但整體上依然是一篇邏輯嚴(yán)密、通過(guò)整合多維度證據(jù)成功挑戰(zhàn)傳統(tǒng)教科書(shū)觀點(diǎn)的佳作。

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審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部