Neuron丨初级感觉皮层是否能编码另一种感觉刺激？|neuron|初级感觉皮层|神经元|细胞|触觉

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对动物来说，将各种感觉信息整合在一起十分重要，已有大量研究证明各种初级感觉皮层的神经元活动可塑性非常高，且会收到其他感觉输入的调节。然而，在2024年11月18日发表的一项名为

Stability of cross-sensory input to primary somatosensory cortex across experience

研究中，研究者利用双光子钙成像技术研究小鼠初级躯体感觉皮层（primary somatosensory cortex，S1）对声音刺激的响应，却发现小鼠的S1无法较好地编码听觉输入，且对听觉输入编码的可塑性也很差。这暗示我们各个初级感觉皮层仍然在“各司其职”，较为专一地编码各自负责的感觉信息，整合多种感觉输入的功能可能是在下游脑区完成的。

有趣的是，这篇研究中所有的结果都是传统意义上的阴性结果，但凭借其严谨的实验设计和强有力且具挑战性的结论也刊登在了Neuron杂志上。下面就让我们来逐步看看该研究的具体内容和结论。

S1只有极少部分神经元响应于声音刺激

在文章一开始，研究人员就证明了S1对听觉刺激的直接响应十分有限。他们利用双光子显微镜研究头固定的小鼠桶状皮层中椎体神经元的活动，并交替呈现触觉和听觉刺激。触觉刺激（“W”）通过一个杆弯折小鼠触须实现；听觉刺激包括两个持续300毫秒的噪声脉冲：一个频率范围为8.5至10.5 kHz（“N1”），另一个为16.5至18.5 kHz（“N2”）。他们记录到了只响应于触觉刺激或听觉刺激的神经元，以及对两种刺激都有响应的神经元。然而，对听觉刺激的神经元所占的比例极低（1.5％左右），且相应的强度也远远低于对触觉刺激的响应，且神经元钙信号的ΔF/F值基本和刺激前的基线水平不存在差异。

图一听觉刺激只能引起S1中极少数神经元的响应

S1神经元无法区分不同的声音刺激身份

尽管S1中存在对听觉刺激反应的单个神经元，但其编码的信息量仍不明确。声音引发的反应可能源自真正的听觉信息，也可能反映了觉醒或运动变化等相关变量。在接下来的研究中，他们测试了桶状皮层是否能编码两种听觉刺激（N1和N2）的身份。通过听觉脑干反应ABR验证小鼠对声音的感知以及分析触须运动来比较两种声音刺激下的行为学表现，研究者确保了两种声音引起的感知强度几乎一样，对解码的影响很小。

结果表明，S1中神经元对N1和N2两种声音刺激的平均钙信号响应几乎相同，且在少数表现出声音偏好的细胞中，多数仅对一种声音刺激有响应。大约2.5%的细胞偏好N1，3.5%偏好N2，仅0.5%对两种声音都有反应。相比之下，约20%的细胞对触须刺激有响应。通过支持向量机（SVM）和多层感知机（MLP）解码器的分析，他们发现基于神经元群体活动解码听觉刺激身份的效果只接近偶然水平，表明S1几乎不编码听觉刺激身份。

S1神经元不编码触觉-听觉组合特征

即使初级感觉皮层无法单独编码另一种感觉刺激，它们可能通过将多种感觉刺激组合到一起的方式来编码。接下来，研究者进一步探究S1是否会编码触觉-听觉特征的组合。他们引入了两种额外的刺激条件：触须刺激与听觉刺激N1的结合（“W+N1”）以及触须刺激与N2的结合（“W+N2”）。在这两种条件下，触觉刺激杆在声音开始约30毫秒后接触触须，这可以使听觉和触觉输入几乎同时到达桶状皮层。

与先前研究一致，他们发现声音对S1神经元对触觉刺激的响应具有抑制作用，那些响应于触觉刺激的神经元在“W+N1”以及”W+N2”试验中响应的强度出现下降。大约13%的响应于触觉刺激的神经元受到N1和N2的显著抑制，且没有发现任何神经元的活动由于多额外呈现了声音刺激而增强。此外，神经元活动被抑制的程度和不同声音刺激的身份无关，也就是说S1无法编码具体某一种听觉-触觉刺激组合。

图二 S1无法区分不同的声音刺激的身份

S1神经元对声音的编码并不会随着与触觉刺激的联合学习增强

虽然研究者之前的结果表明S1无法编码听觉-触觉刺激组合，但是S1的可塑性很强，理论上讲这种多感官调控的反应会在学习之后得到增强。因此，他们接下来设计了被动配对范式来验证学习过程是否能让S1的响应改变。

在这个范式中，某一种听觉刺激（N1）与触觉刺激（W）在数天内重复配对。在配对前（第一天），他们记录了6种随机交替的刺激条件的S1神经元活动：W、N1、N2、W+N1、W+N2和无刺激条件。在接下来的3天配对阶段，小鼠被反复呈现W+N1的组合刺激以及N2单独刺激。配对后，他们再次记录了所有6种刺激条件下的S1响应（配对后）。然而，主成分分析（PCA）的结果表明，在反复经历到N1+W的刺激条件后，N1的神经元群体响应并没有变得和W更相似，且支持SVM对于N1和N2的区分准确率也没有提高。这意味着被动学习无法帮助S1中的神经元学习到听觉刺激和触觉刺激的联合表征。

S1神经元对声音的编码并不会随着奖励参与下的学习增强

由于此前已有很多研究证明如果将感觉刺激与奖励一起呈递，那么会提高神经元对感觉刺激的响应。因此，研究者又进行了额外的有奖励参与的配对范式，在试验中，两种听觉-触觉刺激的组合（W+N1和W+N2）会与水奖励相关联。然而，在训练后，线性和非线性解码器均对W+N1与W+N2解码的准确度以及对N1与N2的解码准确度都没得到提升。这表明奖励的参与未能增加S1对不同听觉-触觉刺激组合或纯听觉刺激的区分。

此外，他们进一步测试了强化学习过程是否可以使听觉刺激诱发与触觉刺激相关的S1神经元的活动，但结果表明，S1神经元的群体活动在听觉与触觉刺激下响应的相关性非但增加，反而略微降低。这种降低可能是听觉和触觉刺激引发的运动差异导致的。这进一步证明S1对听觉输入的表征在时间上很稳定，即使是在和触觉刺激配对以及奖励参与的条件下，也没有观察到S1对听觉刺激或者对触觉-视觉刺激多模态表征的可塑性增加。