视觉皮层振荡活动揭示自然视觉刺激下的动态神经环路模式
研究背景
视觉系统是哺乳动物大脑中最为复杂的感官系统之一，其功能依赖于多个脑区的协同工作，尤其是丘脑（thalamus）和初级视觉皮层（V1）之间的信息传递。视觉信息的处理不仅涉及对光强、对比度、运动等基本特征的提取，还需要在复杂的自然场景中同时处理多种时空特征。尽管过去的研究已经揭示了视觉系统中神经元活动的许多细节，但关于视觉信息如何在丘脑-皮层环路中动态编码，尤其是在自然视觉刺激下的神经振荡活动，仍然存在许多未解之谜。
神经振荡（neural oscillations）是大脑活动的重要特征，通常表现为局部场电位（local field potential, LFP）中的周期性波动。这些振荡活动被认为在信息传递、特征编码和神经同步中起着关键作用。然而，大多数研究集中在人工刺激（如光栅或闪光）下的振荡活动，而对自然视觉刺激下的振荡动态了解较少。自然视觉刺激具有非平稳性和复杂性，能够更真实地模拟日常视觉体验，因此研究自然刺激下的神经振荡活动具有重要的科学意义。
本研究的核心问题是：在自然视觉刺激下，小鼠的丘脑-视觉皮层系统如何通过快速神经振荡处理复杂的视觉输入？具体来说，研究者希望通过分析V1中的局部振荡活动，揭示不同视觉特征（如亮度、对比度、运动）如何诱导特定的振荡模式，并探索这些振荡模式如何协调跨层神经元的活动，从而形成动态的神经环路模式。
论文来源
本论文由Lukas Sebastian Meyerolbersleben、Anton Sirota和Laura Busse共同完成，三位作者均来自德国慕尼黑大学（Ludwig-Maximilians-Universität München）的神经生物学部门。论文于2025年7月9日发表在《Neuron》期刊上，题为“Anatomically Resolved Oscillatory Bursts Reveal Dynamic Motifs of Thalamocortical Activity During Naturalistic Stimulus Viewing”。论文的开放获取版本可通过Elsevier的官方网站获取，DOI为10.1016/j.neuron.2025.03.030。
研究流程与结果
1. 研究流程
本研究基于Allen研究所的Neuropixels视觉编码项目（Allen Neuropixels Visual Coding Project）的数据，结合了自然场景和动态视频刺激，分析了小鼠V1中的局部场电位（LFP）和神经元活动。研究流程主要包括以下几个步骤：
a) 数据采集与预处理
研究者使用了多通道Neuropixels探针记录小鼠V1和丘脑外侧膝状体（dorsolateral geniculate nucleus, dLGN）的神经活动。实验刺激包括全屏闪光、自然图像和动态视频。LFP数据通过多锥度谱分析（multitaper spectral analysis）进行处理，以提取不同频段的振荡活动。
b) 振荡爆发检测
为了捕捉瞬时的非平稳振荡事件，研究者开发了一种基于时间、频率和皮层深度的局部功率最大值检测算法，用于识别V1中的振荡爆发（oscillatory bursts）。这些爆发被分为四类：窄带伽马（narrowband gamma, nb-gamma, 50-70 Hz）、低伽马（low-gamma, 20-40 Hz）、L4 epsilon（80-180 Hz）和L5 epsilon（100-180 Hz）。
c) 视觉特征提取
研究者从自然图像和视频中提取了局部亮度、空间频率功率（spatial frequency power）和光流（optic flow）等视觉特征，并分析了这些特征与振荡爆发之间的关系。
d) 神经元相位耦合分析
通过计算神经元活动与LFP振荡的相位一致性（phase consistency），研究者分析了不同振荡爆发类别的跨层神经元活动模式。此外，还使用了电流源密度分析（current-source density, CSD）来定位振荡爆发的电流源。
2. 主要结果
a) 振荡爆发与视觉特征的关系
研究发现，不同的振荡爆发类别与特定的视觉特征密切相关。窄带伽马爆发（nb-gamma）与局部亮度显著相关，而低伽马爆发（low-gamma）与光流（特别是运动边缘）相关。L4和L5的epsilon爆发则与局部对比度（spatial frequency power）相关。
b) 振荡爆发的跨层神经元活动
振荡爆发不仅局限于特定皮层，还协调了跨层神经元的活动。例如，窄带伽马爆发在L4中最为显著，但也影响了L2/3和L5/6的神经元活动。低伽马爆发则主要在L4和L5中观察到，与运动边缘的处理相关。
c) 神经元相位耦合模式
研究揭示了不同振荡爆发类别下神经元的相位偏好（phase preference）。例如，窄带伽马爆发中，L4的兴奋性神经元（excitatory neurons）在振荡周期的早期阶段放电，而抑制性神经元（inhibitory neurons）则在稍后阶段放电。这种相位分离模式在不同刺激条件下保持一致，表明其可能是一种通用的神经环路模式。
3. 结论与意义
本研究揭示了自然视觉刺激下小鼠V1中的局部振荡爆发及其与特定视觉特征的关系，并提出了“动态神经环路模式”（dynamic circuit motifs）的概念。这些模式反映了丘脑-视觉皮层系统在处理复杂视觉信息时的动态协调机制，可能支持多路复用（multiplexed）的视觉信息编码和特征特异性信息传递。
研究的科学价值在于首次系统地揭示了自然视觉刺激下的振荡活动模式，并提出了跨层神经元活动的相位协调机制。这不仅加深了我们对视觉系统功能的理解，还为未来研究提供了新的框架，例如通过振荡活动解码视觉内容或开发基于振荡的脑机接口。
研究亮点
- 自然视觉刺激下的振荡活动：首次系统地分析了自然视觉刺激下V1中的局部振荡爆发，揭示了其与亮度、对比度和运动等视觉特征的关系。
- 动态神经环路模式：提出了“动态神经环路模式”的概念，描述了不同振荡爆发类别下跨层神经元活动的相位协调机制。
- 跨物种比较的潜力：研究结果为跨物种比较视觉系统的振荡活动提供了新的框架，可能有助于揭示不同物种中视觉信息处理的共同原则。
其他有价值的信息
本研究的代码和数据已公开，可供其他研究者进一步分析和验证。此外，研究还提出了未来研究方向，例如通过多探针记录技术研究分布式神经元的振荡协调机制，以及通过闭环实验揭示特定神经元类型在振荡生成和传播中的作用。
通过这项研究，我们不仅对视觉系统的动态功能有了更深入的理解，还为未来的神经科学研究提供了新的工具和思路。