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将目标导向行为适应不断变化的感觉条件是智能的一个基本特征。大脑利用对环境的抽象表征使已学到的关联在不同感觉模态之间泛化。然而，介导这种跨模态泛化的环路尚不清楚。

基于此，2025年5月26日，瑞士日内瓦大学医学院基础神经科学系Sami El-Boustani在Nature communications杂志发表了“Cortical circuits for cross-modal generalization”揭示了跨模态泛化的皮层环路。

作者发现小鼠能够在触觉与视觉之间双向泛化感觉运动任务规则，依赖于大脑皮层中对“近体空间”的抽象表征。通过在背侧皮层进行单细胞分辨率的大规模神经活动图谱绘制发现了多种具有一致空间表征的多模态神经元，这些神经元分布于背侧和腹侧通路中的多个联合皮层区域。通过光遗传学感官替代和对这些联合皮层区域的系统性抑制实验，发现背侧通路中的一个特定脑区对于实现跨模态泛化十分必要。

图一 小鼠中的跨模态泛化

作者设计了一种行为范式用于测试小鼠是否能够将通过胡须感知学到的感觉运动关联泛化到视觉模态。由于这两种感觉模态在近体空间中具有相似的空间组织方式，该任务中的视觉和触觉刺激来源于空间位置一致的位置。在黑暗环境中，头部固定的饮水受限小鼠首先接受“Go/No-go”触觉辨别任务训练。在这个任务中，它们需要辨别同一胡须垫列中上下排列的两根胡须的刺激。当顶部胡须（B2）受到刺激时，小鼠如果舔水嘴就会获得一滴水作为奖励；而当底部胡须（C2）受到刺激时，如果舔水嘴则会被惩罚暂停任务10秒钟。当小鼠熟练掌握任务并在连续至少三个测试中保持高正确率后，将任务切换为“Go/No-go”视觉任务。在新的任务中，原来的上下胡须刺激被上下两个视觉刺激替代。这些视觉刺激是灰色背景上的黑色方块，沿与胡须偏转相同的方向移动。显示屏位于小鼠右侧视野前方，与之前受刺激的胡须同侧并与视网膜中心平行。方块在垂直方向上的位置大致对应于胡须在动物视觉野中的位置。为了测试小鼠是否能够利用触觉任务中学到的关联来推断新视觉任务中的奖赏规则（即判断何时给予奖赏），作者设置了两种情境。在规则保持组中，小鼠在模态转换后仍然可以通过对相同空间位置的刺激做出反应来获得奖励；而在规则反转组中，模态转换后奖赏规则发生了空间上的反转。在规则保持的模态转换后，观察到了学习关联快速地从触觉模态泛化到视觉模态。小鼠几乎在转换后的最初几十个试次内就恢复了高水平的任务表现，与转换前的表现相当。相比之下，在规则反转的模态转换后，任务表现明显下降，通常降至随机水平或更低。在任务初期，小鼠通常尝试对两个刺激都做出舔水反应，随后迅速停止任何舔水行为。很多时候，小鼠首先对与先前获得奖赏的胡须位置相对应的视觉刺激做出反应，导致任务初期的表现短暂低于随机水平。在规则反转转换后，小鼠表现出对任务的回避，这种状态持续多个会话。小鼠在规则反转转换后无法完成任务的原因在于原有任务规则的知识冲突，而不是经验不足或动机缺乏。已完成触觉任务训练的小鼠在胡须暂时移除后继续进行任务测试，随后再重新插入胡须。发现当胡须从毛细管中移除后，检测和辨别能力立即下降至随机水平；而当胡须重新插入压电刺激装置后，表现又恢复到了熟练水平。这表明，小鼠在黑暗中完成胡须辨别任务并不是依靠视觉线索。

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图二 空间信息的双向跨模态泛化

除了通过共同的空间组织来泛化任务规则外，小鼠还可能泛化两个任务中共享的一种抽象的 Go/No-go 结构（即：“对某一刺激做出反应可获得奖励，而对另一刺激做出反应则会受到惩罚”），从而在模态转换后迅速提升表现。为了验证这一可能性，作者训练小鼠完成一个听觉的 Go/No-go 辨别任务，该任务能够在不依赖任何空间规则的前提下达到相似的动机水平和任务表现。随后，将这些小鼠的任务切换为基于空间的视觉任务。听觉任务使用的是来自同一扬声器的两个纯音与之后引入的视觉刺激之间没有明确的空间关联。在没有先前冲突空间规则影响下，小鼠在模态转换后能够更快地学会新任务。作者进一步确认了小鼠也可以将任务规则从视觉模态泛化到触觉模态，从而证明了学习关联的双向跨模态泛化。值得注意的是，在保持任务规则不变的情况下，从小鼠从视觉转换到触觉模态时，任务表现出现了一致性的下降，而这种现象在从触觉转换到视觉模态时并不存在。这种不对称性很可能反映了不同模态之间的任务难度差异，导致视觉和触觉任务在表现上限上有所不同。任务难度的差异可能来源于相邻胡须之间辨别能力较弱，相较于视觉上微小刺激的分辨能力。最后，将规则反转模态转换的结果与之前研究中在同一感觉模态内（即触觉内部）进行奖赏规则反转的情况进行了比较。当小鼠在触觉任务中达到熟练水平后，作者交换了两根胡须对应的奖赏结果。结果显示，辨别能力急剧下降至随机水平以下，表明小鼠继续按照原来的规则执行任务。在规则交换后，任务表现有所提升。因此，当奖赏规则在同一感觉模态内发生变化时，小鼠表现出不同的行为模式，持续以僵化的方式执行相同的感觉运动转换，这很可能反映了已经形成的习惯性行为。

图三 背侧皮层中视觉与触觉解剖投射图

作者接下来进行了解剖学实验，以绘制初级感觉区与具有视听-触觉表征的联合脑区之间的前馈和反馈投射关系。在野生型小鼠中使用低剂量异氟烷麻醉下的内在光学信号成像，获得了代表垂直空间表征的视觉和触觉功能图。根据这些图谱，确定了两个在V1中代表不同水平位置的皮层位点或是在S1胡须区中标记B2和C2柱状体的目标区域。随后打开颅窗并在相应位置分别注射两种腺相关病毒载体诱导示踪蛋白GFP和tdTomato的表达。发现来自初级感觉区的轴突投射出现在那些通过宽场成像记录到视听-触觉反应的联合皮层区域，并且这些投射呈现出相同的垂直空间组织方式。结果表明，至少部分功能图是继承自初级皮层区域的直接前馈投射。虽然视觉刺激可以在S1中诱发有组织的反应但并未发现V1与S1之间存在直接投射，这提示可能存在从联合脑区向S1投射的空间组织化的反馈通路。已有研究表明，从高级视觉区（包括A区、RL区、AL区和LI区）到V1的反馈投射在垂直维度上具有空间组织性，但尚不清楚这种特性是否也适用于向S1的反馈投射。作者采用相同策略发现，向S1顶部和底部投射的神经元分布与宽场成像和顺行示踪的结果一致。观察到初级皮层与联合皮层之间前馈和反馈投射共享的空间组织模式。通过在RL区进行逆行标记，还比较了V1和S1中向RL投射神经元的细胞密度，发现V1中向RL投射的神经元密度更高。

图四 RL区足以实现跨模态泛化

作者还进行了功能增强实验，在模态转换后，用对RL中编码“顶部”和“底部”信息的子区域进行直接光遗传刺激替代原本的视觉刺激。在表达Cre依赖性ChR2-eYFP的Ai32转基因小鼠中进行功能定位，以识别RL中分别编码顶部和底部视觉刺激的脑区。根据通过双光子成像测量的单个神经元的特性与位置，估计这些蓝光模式大约激活了RL中具有跨模态泛化特性的视觉-触觉神经元的65%，其中约40%位于底部区域，25%位于顶部区域。在进入完整的光遗传替代任务之前，已经熟练掌握触觉任务的小鼠先经历了光遗传习惯化训练阶段。在这一阶段中，它们只接受“Go”光刺激，试次中80%为Go刺激，20%为Catch刺激，即蓝光出现在颅窗以外的位置。一旦小鼠对光遗传刺激表现出稳定的舔水反应，它们就被转入包含No-go刺激的完整任务中。在规则保持的模态转换后，当引入No-go刺激时，小鼠仍然保持了与此前相当的辨别表现。在光遗传习惯化阶段，这些小鼠也迅速学会了对光刺激做出反应。相比之下，在规则反转组的小鼠在接受No-go刺激后表现降至随机水平。此外，它们在习惯化阶段对光刺激的反应速度也明显较慢，达到相同反应水平所需的时间约为规则保持组的两倍。结果表明，在小鼠适应了光遗传刺激之后，仅RL的活动就足以诱导跨模态泛化。为了进一步确认这种功能的RL特异性，作者对腹侧通路中的AL区域进行了相同的实验。AL区域同样包含视觉-触觉神经元。然而，即使使用更强的蓝光强度或采用与刺激RL时相同大小的光斑，AL的光遗传激活在至少连续七天内都无法诱发任何可检测的行为反应。

总结

跨模态泛化指的是大脑能够将从一种感官模式（如视觉）获得的信息，应用于另一种感官模式（如听觉或触觉）中。这种能力对于复杂的认知功能至关重要，如学习、记忆和决策。跨模态的信息泛化不仅对生物大脑至关重要，对于人工智能系统也同样关键。理解支持这一过程的神经机制不仅有助于揭示大脑如何整合多感官信息，也为治疗多种神经系统疾病提供了潜在的靶点。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59342-9