《Neuron》為什么太困或太緊張時聽聲音不清晰？Luca Mazzucato研究團隊揭示亞穩態神經集群動力學調控機制

我們的大腦在處理聲音等感官信息時，并不是始終處于“最佳狀態”：太困倦或太緊張都會影響感知的敏銳度。

基于此，2025年12月9日，美國俄勒岡大學神經科學研究所Luca Mazzucato研究團隊在Neuron雜志發表了“Modulation of metastable ensemble dynamics explains the inverted-U relationship between tone discriminability and arousal in auditory cortex”揭示了調控亞穩態神經集群動力學可解釋聽覺皮層中音調分辨能力與喚醒水平之間的倒U型關系。

為探究喚醒如何影響聽覺感知，研究人員在小鼠被動聽音時同步記錄其聽覺皮層神經活動和瞳孔大?。ㄗ鳛閱拘阎笜耍l現神經對音調的分辨能力在中等喚醒水平時最強，呈現典型的“倒U型”關系。為解釋這一現象，研究團隊構建了一個模擬大腦神經活動的集群網絡模型：低喚醒時，神經集群在多個狀態間緩慢切換，反應雜亂、變異性高；高喚醒時，所有集群趨于同步，活動整齊但難以區分不同聲音；中等喚醒時，網絡正好處于兩者之間的“臨界點”，既能穩定響應，又能精細分辨聲音，表現最佳。該模型還成功再現了“喚醒越高，神經反應越穩定”的實驗結果。

這項研究說明：大腦通過調節自身網絡的動態狀態，在“靈活”和“穩定”之間找到最佳平衡，從而在適中的警覺水平下實現最敏銳的感知。

圖一 不同喚醒狀態下小鼠聽覺皮層的神經編碼動態

作者使用Neuropixels探針記錄頭部固定小鼠聽覺皮層神經元群體的活動（主要靶向初級聽覺皮層A1），同時監測小鼠的運動速度和瞳孔直徑。

每次實驗中的瞳孔直徑均以其最大值進行歸一化并作為喚醒水平的指標。部分實驗涵蓋了完整的喚醒狀態譜，其余記錄則主要集中在中至高喚醒水平范圍。單神經元活動在被動聲音呈現期間（“誘發”時段）和無聽覺刺激期間（“自發”時段）分別進行測量。在誘發時段，小鼠接受短暫純音刺激，頻率范圍為2至32千赫茲，持續時間為25毫秒。

圖二 喚醒水平調控聽覺分辨能力的倒U型規律

為探究喚醒水平是否影響聽覺皮層對聲音的分辨能力，作者根據小鼠瞳孔大?。ǚ从硢拘殉潭龋嶒灁祿纸M并分析神經元對純音的響應。結果發現：無論是單個神經元還是神經元群體，其聲音分辨能力都在中等瞳孔直徑（即中等喚醒狀態）時最強，呈典型的“倒U型”關系。

在群體層面，研究者用一個線性分類器從神經活動模式中“讀取”音調信息，發現解碼準確率同樣在中等喚醒時最高，而在過低或過高喚醒時下降。即使排除了運動干擾的數據，這一趨勢依然存在。

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總之，這項工作在單細胞和群體兩個層面一致表明：大腦聽覺系統在中等警覺狀態下工作效率最高，太困或太緊張都會降低聽覺分辨能力。

圖三 集群網絡揭示喚醒調控聽覺分辨的倒U型機制

為驗證哪種神經網絡模型能解釋“喚醒與聽覺分辨能力呈倒U型關系”的現象，作者比較了集群網絡和均勻網絡。

結果顯示：在集群模型中，無論是單個神經元的分辨能力還是群體活動的解碼準確率，都在中等喚醒水平時達到峰值，完美復現實驗觀察到的倒U型關系；

而在均勻模型中，分辨能力和解碼性能均隨喚醒升高而持續下降，無法再現該現象。即使改變采樣神經元數量，集群模型的倒U型趨勢依然穩定。

結果表明，只有具備集群結構的網絡才能解釋實驗結果。

圖四 集群動態的調控是倒U型關系的基礎

作者進一步揭示了聽覺分辨能力呈現倒U型關系的神經機制：關鍵在于喚醒水平如何調控神經集群活動的“信號強度”與“激活可靠性”。

在低喚醒狀態下，雖然目標與非目標集群的自發放電差異較大（信號較強），但集群動態僵化，刺激難以穩定激活全部目標集群，導致可靠性低；在中等喚醒時，集群切換更靈活，刺激既能有效激活目標集群，又能抑制非目標集群，信號和可靠性同時達到較高水平，分辨能力最優；而在高喚醒時，所有集群活動趨于均一，目標與非目標反應差異幾乎消失（信號趨近于零），盡管激活范圍廣，但缺乏區分度，分辨能力下降。

因此，喚醒通過協同調節集群響應的強度與一致性，在中等水平實現對聲音信息的最佳編碼，從而形成分辨能力的倒U型依賴關系。

總結

研究發現：大腦在“不太困也不太緊張”的狀態下聽覺最敏銳。這是因為此時神經元集群的活動剛好處于一種“靈活又有序”的臨界狀態：既能清晰區分不同聲音，又不會反應混亂。而這種狀態還能解釋另一個現象：隨著警覺度提高，神經反應會變得更穩定、波動更小。

文章來源

https://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273(25)00858-X

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