Sci Adv | 前扣带皮层不只是觉醒的“旁观者”|信号|皮层|瞳孔|神经元|细胞

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基本信息

Title:The anterior cingulate cortex modulates pupil-linked arousal

发表时间:2026-05-08

发表期刊:Science Advances

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引言

瞳孔大小看似只是一个眼部参数，实际上常被神经科学用来追踪自主神经唤醒水平的快速波动。无论是在执行任务、遇到显著刺激，还是在没有明确外界事件的安静清醒状态下，瞳孔都会自发扩大或缩小。过去相当多研究已经表明，这类“瞳孔相关觉醒”与皮层下调制系统密切相关，尤其是蓝斑（locus coeruleus, LC）等上行唤醒节点，因此瞳孔常被当作脑状态和自主神经活动的外显读出。

但一个长期没有被充分回答的问题是：皮层在这里到底扮演什么角色？它只是被动反映觉醒变化，还是也会主动参与调节？前扣带皮层（anterior cingulate cortex, ACC）是一个尤其值得追问的候选区域。ACC 不仅参与认知控制、努力分配、错误监测、情绪和行为选择，还与多个调节觉醒和自主功能的皮层下结构存在直接或间接连接，包括蓝斑、导水管周围灰质和下丘脑相关区域。从功能位置上看，它很适合承担把内部状态、外部信息与行为需求整合起来，再对唤醒强度进行“自上而下”塑形的任务。

已有证据虽然提示 ACC 与自主唤醒有关，但多来自人类影像、病损或相关性观察。这些工作能说明 ACC 常在唤醒变化时被招募，却难以判定它是否在一次觉醒事件发生当下真正发挥了因果作用。尤其是对于没有任务指令、也没有明确刺激驱动的自发性觉醒波动，ACC 是否会在线参与调节，缺少直接实验检验。

这篇论文正是围绕这一缺口展开。作者在头固定小鼠中持续监测瞳孔、面部微动作和部分实验中的跑动状态，将瞳孔扩张作为自主唤醒增强的行为读出；随后结合实时瞳孔追踪、闭环光遗传抑制、ACC 群体钙信号记录，以及与蓝斑去甲肾上腺素能神经元（LC-NE）的时序比较，系统追问三个层层递进的问题：ACC 是否会因果性影响瞳孔相关觉醒？ACC 活动强弱是否与觉醒事件幅度相匹配？与经典皮层下唤醒节点相比，ACC 在整个觉醒事件中处于什么时间位置和功能位置？如果这些问题得到肯定答案，那么 ACC 的角色就不应再被简单理解为“受觉醒状态调制的皮层区”，而应被视为参与塑造瞬时觉醒强度的重要皮层节点。

实验设计与方法逻辑

作者先在头固定小鼠中用红外相机结合 DeepLabCut 跟踪瞳孔，并以胡须垫区域图像变化量化面部运动，部分实验同时记录跑轮速度；再用静息心率验证瞳孔大小可作为自主唤醒读出。随后在 VGAT-Cre 小鼠 ACC 内表达 ChR2，通过激活局部 GABA 能神经元抑制 ACC，分别进行开环抑制与基于实时瞳孔检测的闭环抑制，以检验 ACC 对自发瞳孔扩张的因果作用，并设置 mCherry 与 V1 抑制对照。接着，作者用光纤记录 ACC 群体钙活动，分析其与自发及听觉诱发瞳孔反应幅度的关系；还进行了 ACC 激活实验作为补充。最后，在 DBH-Cre 小鼠中记录 LC-NE 群体活动，与 ACC 的幅度标度关系和时间过程进行比较，以定位两者在觉醒网络中的相对分工。

核心发现

发现一：自发瞳孔扩张通常嵌在面部运动到跑动的行为序列中，定义了本文研究的“觉醒事件”框架

作者首先没有急于讨论 ACC，而是先厘清在本研究条件下，小鼠的自发瞳孔扩张究竟发生在什么行为背景中。Fig. 1 很关键，因为它给出了全文所有因果解释的参照框架。作者在无任务、无外界刺激的头固定条件下发现，瞳孔大小与静息心率变化一致，支持其作为自主唤醒读出；同时，面部运动通常早于瞳孔变化，而瞳孔又早于跑动出现，说明这些自发扩张并不是孤立事件，而常常嵌在探索相关动作序列中。更进一步，较小的瞳孔事件多对应短暂面部运动，较大的瞳孔事件则更常伴随跑动，见 Fig. 1D、Fig. 1E 及 Fig. 1J-Fig. 1N。对读者来说，这一点的意义在于：后续若某种操控改变了瞳孔却未明显改变面部运动，就更有理由把它理解为对“运动伴随的觉醒强度”的调节，而不是单纯的运动控制。需要注意的是，Fig. 1 支持的是本实验情境中的平均行为结构，不能外推成所有瞳孔扩张都由运动驱动。

Figure 1. Relationship between pupil-linked arousal, facial movements, and locomotion

发现二：实时抑制 ACC 会削弱正在进行的瞳孔扩张，说明 ACC 参与维持自发觉醒事件的强度

真正建立因果关系的是 ACC 抑制实验。Fig. 2 和 Fig. 3 构成了全文最核心的证据链。先看开环实验，作者通过激活 ACC 局部 GABA 能神经元抑制该区活动，发现平均瞳孔大小下降，而 mCherry 对照没有同样变化，见 Fig. 2C-Fig. 2F；与此同时，面部运动并未出现显著变化，见 Fig. 2G、Fig. 2H。这意味着 ACC 抑制并不是简单压低了整体探索动作。更重要的是闭环设计：系统在实时检测到瞳孔已进入扩张状态后，再立即启动 ACC 抑制。即便操控发生在事件开始之后，激光试次的 pupil AUC 仍明显下降，且瞳孔回落到峰值 50% 所需时间缩短，而峰值本身无显著变化，见 Fig. 3C-Fig. 3F。这个结果很值得细读，因为它把 ACC 的作用更准确地定位为对进行中扩张过程的维持或放大，而不是必然负责起始触发。

Figure 2. Open-loop optogenetic ACC inactivation decreases arousal

Figure 3. Closed-loop ACC inactivation curtails ongoing pupil dilations

发现三：ACC 群体活动随瞳孔扩张幅度增强，并且这种关系扩展到显著声音诱发的瞳孔反应

在因果操控之外，作者进一步问：ACC 的神经活动本身，是否与觉醒事件强度相匹配？Fig. 4 给出的答案是肯定的。光纤记录显示，ACC 群体钙信号在自发瞳孔扩张过程中升高，而且与事件大小相关的不是扩张前基线，而是事件期间的 ACC 活动强度：瞳孔扩张越大，事件期 ACC 信号越强，见 Fig. 4D、Fig. 4E。类似地，ACC 活动也随面部运动幅度增加而增强，见 Fig. 4F、Fig. 4G；但结合前面 ACC 抑制改变瞳孔而不显著改变面部运动的结果，更合理的理解是，ACC 信号并不只是简单反映动作输出，而更接近与动作相伴的觉醒增强。

Figure 4. ACC activity scales with pupil-linked arousal

发现四：与 LC-NE 相比，ACC 反应更晚但更持续，且更能反映瞳孔扩张幅度，提示两者在觉醒事件中分工不同

论文最后并不满足于证明 ACC“有作用”，而是试图回答它在觉醒网络中处于什么位置。根据正文总结与结果概述，Fig. 7 和 Fig. 8 是理解这一点的关键。作者将 ACC 与 LC-NE 的群体活动进行比较后发现，两者都与瞳孔相关觉醒有关，但模式并不相同：LC-NE 的活动上升更早，更贴近行为转换和早期觉醒信号，而 ACC 的活动相对更晚。与此同时，ACC 与瞳孔大小的耦合更强，且其活动会随着瞳孔扩张幅度增加而系统增强；相比之下，LC-NE 群体活动并未表现出同样清晰的幅度标度关系，见 Fig. 7。进一步的时间过程分析表明，相对于瞳孔扩张事件，LC-NE 更早达到峰值，而 ACC 在事件后段维持时间更长，见 Fig. 8。为什么这组图重要？因为它把“谁先活跃”转化成了更有解释力的功能推断：ACC 不是取代蓝斑这类经典皮层下唤醒节点，而更可能在事件已启动后参与持续调节其强度。

Figure 7. LC activity does not scale with pupil size

Figure 8. ACC and LC show unique patterns of arousal-related activity

归纳总结和点评

这项工作的强处，在于它把行为读出、实时闭环干预、群体活动记录和跨脑区比较放进了同一个问题框架中，因此证据链比较完整。作者给出的关键推进是：前扣带皮层不只是“随着觉醒变化而活动”的皮层区域，而是会在自发和刺激诱发的瞳孔扩张过程中参与调节其强度，尤其更像是对进行中事件的维持与放大。论文的边界同样明确：研究对象是头固定小鼠中的瞳孔相关自主唤醒，许多自发事件与探索性动作相伴，ACC 的下游通路与细胞类型机制并未在本文中展开。因此，更稳妥的结论不是把 ACC 描述为觉醒的唯一中枢，而是将其视为皮层参与瞬时自主唤醒调控的重要节点之一。