Science丨斑马鱼通过丘脑-皮层类似环路整合视觉与触觉信息|丘脑|信号|哺乳动物|斑马鱼|皮层|神经元

撰文丨Yanan

我们对世界的感知来源于多种知觉，它们既各自独立，又相互整合。比如在夏季常见的雷暴天气中，我们对雷电的捕捉同时包含了视觉（闪电）与听觉（雷声），尽管两者有时存在明显的时间差，却并不影响大脑将其完美整合，形成统一的画面。在哺乳动物中，大脑皮层处理信息时，依赖丘脑将不同的感觉输入进行分隔，并采用多样化的编码策略来实现高级认知功能【1】。而在非哺乳类脊椎动物中，位于背侧端脑的脑套（pallium）是与大脑皮层高度同源的解剖结构。然而，这两支在进化史上相隔亿万年的物种，是否也采用了同一种策略来进行感知觉整合？这依然是一个悬而未决的问题。

近日，来自挪威科技大学/土耳其科奇大学医学院的Emre Yaksi研究组在Science杂志在线发表了题为Hierarchical sensory processing in zebrafish thalamocortical-like circuits的研究论文。该研究鉴定出斑马鱼中类似哺乳动物的丘脑-皮层输入结构，前小球复合体（preglomerular complex,PG）。研究表明，PG 作为重要的感觉信息中继枢纽，负责将多脑区输入的感知觉信息并行传递至脑套。随后，脑套利用具备符合检测功能（coincidence detector）的神经元网络对多模态信息进行非线性整合，完成更为复杂的计算加工。这一发现表明斑马鱼采用丘脑-皮层类似结构进行感知觉的分离与整合，暗示这可能是一种在脊椎动物中趋同进化的适应策略【2】。

哺乳动物的第一级丘脑负责将感觉信息直接投射至初级感觉皮层，而在发育上与这一结构同源的是斑马鱼标准丘脑（thalamus proper, Th）。与此同时，前小球复合体（PG）虽非传统丘脑结构，但同样扮演着重要的感觉信息中继站角色。本文首要解决的问题是：脑套接收的神经输入主要源自何处？通过荧光示踪实验，作者在幼年斑马鱼的大脑中证实，向脑套输送绝大部分输入的正是PG内的谷氨酸能兴奋性神经元，而标准丘脑输入的贡献相对微弱（约 13%）。PG同时还整合了来自间脑和中脑多个脑区的输入，且这些输入在其向外投射的拓扑图谱上具备选择性偏好。

图1. PG接收端脑外的信号，且是脑套主要的输入来源

接下来，为了从功能角度验证 PG 是否具备类似于哺乳动物丘脑的信息传输功能，作者利用高分辨率的在体钙成像观察到，PG 神经元的自发活动具有成簇性，且同一簇的神经元位置相近，这暗示了 PG 可能具有类似于哺乳动物的丘脑亚核团结构。这一猜想在后续的感觉刺激实验中得到支持：利用红光闪烁和机械振动进行检测时，大部分PG 神经元展现出对于某一特定刺激的偏好，并据此在空间上分隔。这种特异性的功能拓扑结构同样延伸到了 PG 向脑套投射的轴突末端。

在信息接收端，作者发现，对 PG 进行微电极刺激所诱发的脑套神经元激活具备特定的时空特异性，提示该环路可能存在层级计算逻辑。在自然感觉刺激下，脑套内部的大部分神经元均展现出多模态响应特性（multi-sensory），能够同时对红光闪烁和机械振动作出反应。这意味着，尽管脑套局部依然保留了一定程度的通道偏好与空间聚集性，但其神经元对单一刺激的选择性已显著下降。值得注意的是，有一类脑套神经元对单一刺激无响应，只有在两种刺激同时出现时才被激活，实质上作为符合检测器（coincidence detector）工作。

为了进一步探究这种多模态整合背后的计算机制，作者引入了交互指数来对脑套神经元的非线性特征进行定量分类。根据该指数，这些神经元被精确划分为抑制型（depressed）、亚加性（sub-additive）和超加性（super-additive）三大类。空间映射结果表明，三种神经元在脑套中展现出了清晰的拓扑区域化分布。占最大比例的抑制型神经元主要分布在脑套的最前侧、后侧以及外侧边缘，负责介导刺激间的竞争性抑制；而表现出“1+1>2”效应的超加性神经元，则高度集中在脑套的前中央区。超加性神经元与前文所述的符合检测器神经元在空间分布上展现出高度交叠。这一实验证据有力地证明了，斑马鱼脑套能够利用特定区域局部地对多模态感知觉信息进行非线性重构。

图2. 脑套不同区域对多模态信息进行非线性计算的神经元

这项研究表明，尽管斑马鱼没有演化出哺乳动物标志性的六层新皮层，但它们却利用外侧脊椎动物独特的tectofugal通路，在无层状结构的脑套中同样建立起了兼具感官特异性和多模态整合的层级计算结构。这种跨越亿万年物种演化的殊途同归，表明感知觉信号在向大脑传递的过程中先分隔并行信号、再在高级中枢进行非线性整合的底层逻辑，并非哺乳动物的独家专利，更可能是脊椎动物演化过程中达成的共识。