Cell：利用开放数据集绘制视觉行为下全脑神经图谱

神经科学的一个核心挑战是理解：通过分布式回路连接的多样化神经元，如何将感觉信息转化为行为。哺乳动物的视觉系统正是这种复杂性的典型代表——视觉加工涉及皮层、丘脑和中脑等多个脑区之间的层级交互，每个局部回路都包含异质性细胞类型，它们通过精密的连接协同工作以引导行为。这些视觉回路既要对习得关联保持稳定，又要对新体验保持灵活。要理解视觉系统中的峰电位活动如何实现可适应的感觉-运动计算，他们需要在视觉引导行为中同时测量多个脑区和细胞类型活动的综合性数据集。

技术进展，尤其是Neuropixels探针的出现，彻底改变了他们对大规模神经元群体进行记录的能力。小鼠中的几项大规模实验已开始系统性地绘制感觉加工和决策过程中的全脑神经活动图谱。然而，这些记录通常是串行的（一次一根或两根探针）且较浅（每个区域采样数十至数百个神经元）。要理解脑网络如何在细胞类型和皮层层次水平上协调活动，需要一种互补的方法：对相互连接的脑区进行密集、同步记录。

在一项新的研究，来自艾伦研究所的一个研究团队描述了一个大规模开放数据集，其中他们使用多区域Neuropixels记录，在小鼠执行视觉变化检测任务时绘制了小鼠视觉系统各区域的峰电位活动图谱。变化检测是一种基础的视觉计算，对生存至关重要，使动物能在动态环境中快速做出决策。小鼠中的近期研究已开始鉴定参与这一过程的视觉系统回路，包括艾伦研究所使用双光子钙成像在同一任务中测量皮层细胞群体的补充研究。然而，跨越视觉丘脑-皮层层级多个层次的峰电位活动综合图谱仍然缺失。

他们的实验设计包括：（1）在视网膜拓扑匹配的位置同步记录6个视觉皮层区域；（2）跨皮层层次密集采样，并通过光遗传标签鉴定遗传定义的中间神经元亚类；（3）记录参与视觉决策的视觉丘脑和中脑区域；（4）多阶段实验结构，捕捉行为期间、被动刺激回放以及新异和熟悉刺激处理过程中的神经活动。

这一资源——Visual Behavior Neuropixels数据集——可在公共云平台上便捷获取，并附有全面的教程和文档。在本研究中，他们（1）表征了跨区域、层次和细胞类型的感觉和运动编码；（2）描述了任务参与和刺激新颖性对响应的调制；（3）评估了变化检测的时序和计算策略。

跨区域、层次和细胞类型的编码

通过从早期感觉区域（LGd和VISp）到中脑前运动区域（SCm和MRN）的全视觉系统记录，他们绘制了视觉引导行为中的感觉和运动编码图谱。聚类分析鉴定出一组典型的视觉响应类型，包括on-瞬态、off-瞬态、on-持续、off-持续和对比抑制细胞，所有这些在视网膜和丘脑处理通路中都有对应。此外，他们在早期视觉皮层区域发现少量动作编码单元，支持了运动信息广泛分布的新兴观点。相反，他们在SCm和MRN（传统上的运动结构）中发现了对图像作出短潜伏期响应并支持快速、高精度图像解码的视觉感觉神经元。这种分布式的感觉-运动表征可能支持主动感觉——其中刺激和运动信息必须整合以预测行为后果。

密集记录还揭示了层次和细胞类型特异性的发现，他们在此强调两点：（1）第6层维持稳定的感觉响应，（2）SST+中间神经元表现出区域特异性的新颖性调制。

第6层受任务参与和刺激新颖性的调制均小于其他层次。由于第6层向LGd提供主要的反馈投射，这与LGd中同样较低的调制水平一致。这种区室化可能允许第6层和LGd在不同行为状态和体验中维持稳定的感觉表征。第6层已知以刺激依赖性方式调节LGd和其他皮层层次的增益，而缺乏强烈的任务参与和新颖性调制可能使第6层能够独立于认知和行为因素实施这种控制。他们注意到，先前一项研究报道了第6层在主要状态变化（睡眠到高唤醒）中的调制，这一轴比本研究中任务参与与未参与的比较更为宽泛。

通过光遗传标签，他们在所有6个视觉皮层区域中鉴定出SST+中间神经元。VISp和外侧区域（VISl和VISal）的SST+神经元偏好熟悉图像（与VISp中先前的钙成像结果一致），而前部/内侧区域（VISrl、VISam和VISpm）的SST+神经元偏好新异图像，揭示了区域特异性的功能异质性。内侧区域与外侧区域相比，SST+细胞接受更强的循环输入⁵⁰ 或许可以解释这种差异，因为他们的证据表明新颖性调制是通过皮层循环相互作用产生的。

变化检测行为的时间窗口

他们分析的一个关键方面是定义了视觉皮层中的刺激变化信息指导行为选择的关键时间窗口（刺激后20-100毫秒）。他们发现皮层活动中的图像变化解码与初级视觉皮层光遗传沉默的行为效应之间存在紧密的时间对应关系。这一短窗口与先前评估视觉皮层对刺激检测和辨别何时必要的多项研究一致。有趣的是，刺激变化在高级视觉丘脑区域LP（小鼠丘脑枕）中可被最早解码——甚至早于VISp——提示LP可能是变化检测计算中的关键节点。快速变化检测信号可能通过一条从视网膜神经节细胞到上丘宽场垂直（WFV）细胞再到LP后部细胞的双突触通路在LP中产生。WFV和LP后部细胞均具有大的空间感受野，这可能赋予它们对全视野图像变化增强的敏感性。

LP与VISp之间的解码滞后本身并不表明处理延迟，但这一结果与LP在皮层2/3层中放大意外刺激预测误差的作用⁵⁸ 一致。他们发现2/3层对图像变化特别敏感，为其在预测误差信号传导中的作用提供了额外支持。图像变化信号通过这一丘脑-皮层网络的快速传播，在120毫秒内最终到达中脑运动准备阶段，揭示了这一感觉-运动转换的卓越效率。

在这一关键时间窗口内，他们的结果揭示了小鼠解决任务所使用的计算策略。小鼠行为在检测新异环境中熟悉保留图像的变化时表现出特异性缺陷，这与适应策略（而非图像比较策略）所预测的缺陷一致。需要进一步研究通过设计能够解耦视觉增益和图像身份变化的行为任务，来最终确定响应适应的作用。

适应策略可能在计算上具有优势，因为它只需要一个决策边界，而将每个图像与其他图像区分开则需要多达8个。它还避免了维持图像模板所需的能量消耗巨大的持续放电，而是依赖于短时可塑性机制，包括突触抑制。

新颖性扩展皮层活跃群体并增强持续视觉响应

在刺激呈现后80毫秒的短决策窗口内，他们在视觉皮层中观察到不同的活动波。第一波（刺激开始后20-60毫秒）是一个前馈波，受刺激新颖性影响极小。第二波（60-100毫秒）则受刺激新颖性强烈调制。在这一窗口内，新异图像招募了一组扩展的on-持续皮层神经元，这些神经元主要来自非响应细胞的储备库。VIP+中间神经元也在这一后期窗口中被新异图像激活，提示VIP+细胞——可能通过它们对SST+细胞的抑制以及随之而来的兴奋性细胞的去抑制——可能门控这一扩展群体的招募。第二波活动可能反映了循环皮层处理，包括VISp内的局部回路、高级视觉皮层区域的反馈或额叶皮层区域的自上而下反馈。其他机制，如快速新颖性诱发的神经调节物质释放，也可能有贡献。

响应新异图像的神经元扩展可能在计算上有益，使皮层能够适应新的刺激统计特性而不破坏现有表征。皮层中延迟的新颖性偏好并非简单地传递到中脑前运动区域（SCm/MRN），后者表现出的新颖性调制较少。这可能反映了这些区域皮层输入的来源（主要是第5层，其新颖性调制弱于上层）和/或与其他非新颖性调制输入的整合。总之，这些结果提示皮层专门化于适应性感觉表征，而前运动中脑区域则调谐于行为相关性，这体现在它们对刺激变化和状态调制的强烈响应中。

研究局限性

尽管他们测量了跨越丘脑、皮层和中脑的许多脑区的活动，但未来工作仍需采样其他重要结构，包括高级视觉皮层区域VISli和VISpor、参与新颖性处理的前额叶皮层结构以及上丘和LP的几个额外亚区室（浅层SC和前部/内侧LP），它们可能影响本文所表征区域中的视觉处理。

他们的结果也主要是相关性的。未来的扰动实验应测试特定区域、层次和细胞类型对他们所描述的计算和行为响应的因果机制。例如，支持适应策略的机制仍有待确定，可能涉及兴奋性输入的短时突触抑制和/或特定抑制性细胞类型的招募——正如视觉和听觉皮层中意外刺激处理研究所提示的那样。这些实验应受到由他们提供的数据集所约束的回路建模工作的指导。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Corbett Bennett et al, Map of spiking activity underlying change detection in the mouse visual system, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.06.025.