Nat Neurosci 颠覆传统层级论，揭示大脑感知皮层的“双向”智慧|丘脑|中枢|信号|皮层|眶额|适应性

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基本信息：

Title:An adaptive and flexible role for primary sensory cortex

发表时间：2025.11.27

Journal:Nature neuroscience

影响因子：20.0

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研究动机与背景

经典神经科学观点将感觉感知视为从外周经丘脑至初级皮层（如S1）的单向层级前馈过程，认为初级皮层仅负责形成静态表征；然而，近期啮齿类研究揭示了初级皮层随学习、环境或损伤而改变的灵活性，有力挑战了这一假说。面对既往灵长类电生理研究（显示S1不编码决策）与现代啮齿类成像研究（显示S1高度相关决策）之间的显著分歧，本文旨在通过解析这种矛盾，深入探讨初级感觉皮层究竟是被动的感官中继站，还是一个能整合环境背景、通过自上而下的反馈调节来支持适应性行为的灵活中枢。

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

作者观点

本文属于观点（Perspective）文章，旨在系统回顾并综合不同层面的实验证据来构建新理论。作者在文中提出了一个核心假设：初级感觉皮层功能的转变反映了一个反馈过程（即自上而下的影响）。来自高阶皮层区域的信号重塑了感觉皮层的活动，以整合基于情境（Context）和经验（Experience）的信息。这种整合反过来调节了随后的前馈信号，使行为能够与不断变化的任务需求保持一致。

为证明假设的可靠性，首先，作者从充分性（Sufficiency）的角度出发，对比分析了灵长类单细胞电生理记录与啮齿类双光子成像在“感觉-行为转换”任务中的不同结果，以此探讨技术手段和物种差异如何影响对S1功能的解读。接着，从必要性（Necessity）的角度出发，梳理了光遗传抑制、药理学失活及皮层损伤（Lesion）研究，揭示了S1在简单检测任务中可被补偿（如通过POm-S2通路），但在复杂辨别和适应性任务中不可或缺的现象。最后，作者结合反转学习（Reversal learning）和预测编码（Predictive coding）理论，论证了自上而下的反馈信号（如来自眶额皮层OFC）如何重塑S1的活动，从而支持其提出的“双向、分布式、适应性”的感觉处理新框架。

核心论点

观点1：S1在决策中的“充分性”存在物种与方法学的分歧

Fig 2展示了灵长类和啮齿类在执行触觉检测任务时的神经活动差异。在猴子的电生理记录中，S1活动与决策结果（击中与失误）无显著差异（Fig 2e），表现为纯粹的感觉编码。而在小鼠的双光子成像中，S1（来自于S2的轴突投射）表现出明显的决策相关活动（Fig 2f）。这表明S1在特定条件下（如啮齿类模型或特定成像深度）包含了受反馈调节的行为信号。

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

观点2：S1的“必要性”取决于任务复杂度与情境

Fig 3总结了S1损伤对不同任务的影响。对于简单的检测任务（Fig 3a），S1损伤仅导致短暂的行为受损，随后动物通过补偿机制（可能涉及丘脑POm核团到S2的通路）迅速恢复。然而，对于复杂的辨别任务（Fig 3b）或需要根据统计规律调整策略的适应性行为（Fig 3c），S1的完整性是必须的，损伤会导致永久性缺陷。这说明S1在处理复杂认知需求时不可被替代。

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

观点3：经验与学习通过反馈重塑S1的功能

Fig 4展示了S1如何随经验发生可塑性变化。在反转学习任务中（Fig 4a, b），来自眶额皮层（OFC）的反馈信号帮助S1重新映射对纹理的编码。在长期的适应性训练中（Fig 4d），S1的神经活动逐渐演变，从单纯的刺激表征转变为包含适应性决策信号，且这种转变依赖于训练经验的积累。

Fig. 4 | Adaptive sensing and decision-making.

观点4：构建“双向分布式”的动态处理模型

Fig 5综合提出了一个新的概念框架。在基线状态下，S1可能主要处理前馈信息；但在S1受损时，替代通路（如丘脑-S2）可维持基本功能（Fig 5c）。在学习和适应环境变化时（Fig 5e），系统从前馈主导转向双向互动，高阶区域（如S2, OFC）的反馈信号增强，使S1能够处理预测误差并支持灵活行为。

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

省流总结

本文针对初级感觉皮层（如S1）仅作为静态特征提取器的传统观点，通过综合对比跨物种的行为学、电生理及成像研究证据，提出了一种“双向分布式”的动态处理模型。研究指出，S1并非单纯的被动中继，而是一个具备高度适应性的灵活中枢，其功能不仅依据任务复杂度在“可被补偿”与“不可或缺”之间切换，更受到学习经验及自上而下反馈信号（如来自眶额皮层）的动态重塑，从而在复杂多变的环境中通过预测编码机制支持适应性行为

AI 锐评

这篇文章展现了极佳的理论整合力，不仅巧妙调和了灵长类与啮齿类研究在皮层功能归属上的长期分歧，还引入预测编码理论构建了层层递进的动态功能图景，为理解感觉皮层的可塑性提供了极具启发性的新框架。尽管其对S1损伤后的具体皮层下补偿通路（如POm-S2）的推断仍缺乏决定性的阻断证据，且将啮齿类胡须系统的发现直接外推至灵长类复杂感知时存在一定风险，但整体上依然是一篇逻辑严密、通过整合多维度证据成功挑战传统教科书观点的佳作。