离散γ事件实现灵活感知编码：揭示小鼠视觉皮层节律活动与行为调控新机制

本研究针对皮层神经活动模式在认知与行为中的机制难题，开发了CBASS分析方法，首次将γ频段活动分解为离散网络事件，发现其由丘脑输入驱动、增强视觉编码并与行为响应密切关联，为理解皮层信息处理及脑疾病提供了新视角。

　　

大脑如何将神经活动转化为感知与行为，一直是神经科学的核心问题。新皮层中的神经活动表现出复杂的时空模式，这些模式动态反映行为状态和任务参与度的变化，而高频活动特别是γ波段（30-80 Hz）的活动，与注意、感知和记忆等认知过程密切相关。传统上，这类活动通常被分析为振荡，但皮层活动也可能表现出非周期动力学特征，这些特征很难用标准方法有效检测。此外，尽管研究表明γ节律源于兴奋性和抑制性神经元之间的局部相互作用，并被认为可以门控传入信号，促进向输出结构的传递，但这一框架仍无法解释皮层活动的一些关键观察结果，而且局部振荡器如何支持脑区之间的通信，其机制尚不清楚。

因此，一个重要问题浮现出来：模式化的皮层活动是否可能代表一系列离散的网络事件？这些事件难以用标准方法精确可靠地检测，并且它们的空间结构很少被量化。要建立皮层活动模式与行为之间的全面联系，就需要新的方法来检测和量化在动态调节的皮层活动中具有一致时空特征的离散网络事件。

在这项发表于《Nature》的研究中，Quentin Perrenoud等人开发了一种名为CBASS（clustering band-limited activity by state and spectrotemporal feature）的新型分析方法，成功将模式化的皮层活动分解为离散的网络事件，并利用该方法追踪了小鼠初级视觉皮层（V1）中的γ活动（30-80 Hz）。他们发现γ事件的发生率随觉醒状态而变化，单个事件可以聚集在短暂的振荡片段中，也可以孤立发生。重要的是，这些单个事件能够跨皮层层同步神经放电，并促进增强的视觉编码。研究进一步揭示V1的γ事件是由背外侧膝状体（dLGN）的模式化输入所诱发，并通过光遗传学调控dLGN活动证实了它们支持视觉信息的丘脑皮层整合。在行为小鼠中，γ事件发生率在视觉提示的行为反应之前稳定增加，能够预测逐一试次的表现。抑制V1的γ事件会损害视觉检测表现，而诱发它们则能够引发生行为反应。这种γ事件与行为之间的关系具有感觉模态特异性，并能被任务目标的改变快速调制，表明γ事件支持了一种根据行为背景进行的灵活视觉信息编码。

研究团队运用了几个关键技术方法。他们在头固定小鼠V1区进行了跨皮层层的局部场电位（LFP）记录，并开发了CBASS算法来聚类和分析频段限制活动的状态和时频特征。他们结合了光遗传学技术，在dLGN或丘脑网状核（TRN）特定神经元群体中表达Channelrhodopsin-2（ChR2），以精确操控丘脑皮层输入。此外，研究还采用了在体全细胞膜片钳记录技术，同步监测V1神经元的膜电位活动和LFP。行为学实验则训练小鼠完成视觉信号检测任务，并同步记录其神经活动和行为反应。实验对象为C57BL/6、SST-Cre和PV-Cre转基因小鼠。

CBASS将状态依赖性γ活动变化与定义的网络事件联系起来

研究人员在自由活动的头固定小鼠V1中记录了LFP（

图1a, b）。小鼠V1在运动期间表现出γ功率的选择性增加（图1b, c），这为检查行为动物中离散、重复的皮层网络事件提供了一个明确的情境。CBASS在清醒小鼠V1中以持续速率检测到γ事件（平均速率24.3 Hz）。事件检测在频谱和通道协方差与记录匹配的随机化数据中极不可能发生，但对参考通道的变化具有鲁棒性。γ事件也可以通过基于幅度阈值的更简单方法检测，表明这些事件是清醒皮层活动的组成部分。然而，CBASS通过强制执行跨皮层层的一致动力学，提供了更灵敏的检测。所有这些结果表明，CBASS方法提供了对单周期网络事件的稳定检测。

γ事件的发生在不同时间高度可变（图1d）。尽管如此，γ事件的平均LFP和电流源密度（CSD）剖面在行为状态、视觉刺激和瞬时速率变化中保持稳定（图1e, h-j）。γ事件周围的平均场在γ波段具有能量，并且高事件发生率期间的LFPγ功率增加。事件速率在运动期间增加（图1f, g）并与瞳孔直径（觉醒的生物标志物）相关。γ事件既出现在振荡簇中，也作为孤立的单个事件发生（图1d, h）。无论是孤立发生、分布式组中出现还是在紧密簇中出现的γ事件，在夹带V1神经元 spikes 的功效上都具有相似性（图1i），并且具有一致的CSD剖面（图1j）。然而，γ事件对LFP频谱的影响取决于其瞬时速率。孤立事件引发宽范围（30-80 Hz）的能量，而成组事件引发更窄的波段（约55 Hz），这表明窄带和宽带γ LFP功率时期代表了相同网络机制的不同结果。

皮层γ事件由丘脑输入驱动

除了与运动相关的γ，小鼠V1还表现出其他显著的模式化活动，包括强大的视觉调制β或低γ振荡（15-30 Hz；以下简称β）。CBASS检测到的β事件受视觉刺激调制，并且具有与γ事件不同的层状剖面，深层激活更强。β和γ事件在快速时间尺度上交错，表明网络过程的快速切换。然而，γ和β事件之间的共标记比偶然预期的更强，并且共标记事件具有中间剖面，这与β和γ事件参与不同但相互作用的兴奋-抑制局部回路机制的观点一致。

先前的研究表明，皮层γ活动可能是由局部兴奋-抑制相互作用产生，或者 passively inherited from afferent structures，例如丘脑。γ事件的CSD剖面显示活动从第4层传播到表层，然后是深层，这与丘脑驱动被皮层回路主动前馈整合的 well-characterized 剖面相匹配。为了进一步检查皮层γ事件是否由丘脑皮层输入产生，研究人员在LGN背部表达了ChR2（图2a）。通过模式化的1毫秒光脉冲 trains 激活V1中的dLGN末梢。由dLGN末梢刺激引起的皮层反应CSD剖面与γ事件的CSD剖面具有强烈且显著的余弦相似性，并且在不同的模式中保持一致。规则dLGN刺激 trains 产生不真实的 comb-shaped 频率谱，而泊松分布 trains 产生分布式功率增加。相比之下，回放自然时间分布的γ事件（图1d, h）的选择性引发了宽带γ（30-80 Hz）和窄带（约55 Hz）成分的皮层γ活动，无论行为状态如何（图2d, e）。因此，V1γ活动的频率特征很大程度上可以通过γ事件的时间分布来解释，并且可以使用一个简单的模型进行复制。接下来，研究人员在丘脑网状核（TRN）中表达生长抑素（SST）的抑制性神经元中表达了ChR2，并在dLGN上方植入了一个光纤（图2f）。通过激活来自SST+ TRN神经元的抑制性末梢来调节dLGN活动，抑制了V1中γ事件的发生率（图2g-j）。这些数据表明，V1γ事件反映了跨皮层层对dLGN输入的活动整合。

γ事件调节 spike 时间并增强视觉编码

为了检查网络γ事件对单个神经元的影响，研究人员在清醒小鼠皮层2-5层进行了全细胞膜片钳记录，同时跨层监测LFP（图3a, b）。γ事件发生率与皮层神经元去极化的“up-states”相关，并且与膜电位（V_m）的快速偏转一致。事件伴随着跨频率的V_m功率增加，以及所有层中γ波段V_m-LFP相干性的选择性增加。γ事件与所有层中的放电精确同步，并且与细胞内和细胞外记录中 spike-LFP 同步性的显著增加相关。γ事件相关的 spikes 最早发生在第4层，最晚发生在2-3层，与前馈丘脑皮层处理一致。同步性在2-3层最强，并且在快速放电（ putative 抑制性）单元中相对于规则放电（ putative 兴奋性）单元显著增强。γ事件对规则放电和快速放电细胞的强夹带进一步表明，这些网络事件由dLGN驱动，但参与本质上共振的局部皮层回路，这些回路可能选择性地锐化和传播γ波段的信号。

尽管γ和认知之间的 general association 已经建立，但γ事件在皮层感觉处理中的确切作用仍不清楚。在视觉刺激期间，γ事件周期内的放电率大大增加。事件发生和规则放电单元放电在自发活动期间不相关，但在呈现高对比度漂移光栅期间变得相关，这表明视觉引发的 spikes 优先发生在γ事件期间。因此，研究人员检查了γ事件期间和之外的视觉反应（图3h, i）。他们发现视觉刺激在γ事件周期之外几乎不引起规则放电单元放电的调制。然而，无论行为状态如何，视觉引发的放电在γ事件周期内都强烈增强。一些视觉引发的活动也发生在β事件期间，但选择性较差。因此，γ事件将视觉引发的放电聚集在皮层神经元中。

γ事件预测视觉检测任务中的行为反应，抑制γ事件会损害表现

为了检查γ事件对视觉编码的增强是否有助于感觉指导的行为，研究人员训练小鼠进行视觉对比检测任务（图4a），该任务表现出行为状态依赖的表现，并且依赖于V1。用减少皮层γ事件的刺激方案（图2f-j）调制dLGN活动，导致视觉检测表现显著下降（图4b-e）。相反，在训练动物中，模式化激活dLGN末梢会引发生行为反应，表现为错误警报试次的增加。这种效应对刺激强度敏感，并且对回放CBASS检测的自然事件模式最鲁棒。这些数据表明，V1γ事件支持视觉整合，并与下游行为反应的 initiation 相关。

为了进一步理解γ事件与视觉检测行为之间的联系，研究人员在任务执行期间用慢性植入的层状电极阵列记录了V1活动（图4f）。在未命中试次中，γ事件速率在刺激开始后呈现一致的上升轨迹，并在舔反应开始时达到峰值，而β事件速率不受试次结果的影响。γ事件的层状剖面和皮层神经元的夹带在整个试次中保持一致。研究人员执行了逻辑回归来预测行为反应，使用刺激和反应开始周围特定时间窗口中的γ和β事件速率。预测准确性随着动物接近舔反应时间而增加。Deviance increase、参数洗牌和系数值表明，γ速率对于预测逐一试次行为至关重要。这些结果在将分析限制在静止期时仍然保持，表明它们不是由运动相关的γ事件引起的。抖动并没有进一步调制γ事件速率，表明γ事件与行为之间的关系不仅仅是运动运动的结果。γ速率增加和模型预测在错误警报试次中也很显著。因此，增加的γ事件速率预期了与任务相关的行为反应。

任务背景变化对γ事件的快速调制

为了测试行为反应之前增加的γ速率是否与预期获得奖励相关，研究人员训练 naive 小鼠在观看灰色屏幕时自由收集奖励。他们观察到，无论奖励结果如何，在预期舔反应时γ速率没有显著增加，这表明γ不编码通用运动反应或奖励信号。为了检查γ事件是否可能代表视觉刺激条件和奖励之间的 learned association，研究人员将小鼠转移到一个新的范式，其中奖励仅在视觉刺激期间发生舔反应时给予。在这个范式中，γ事件速率在选择性地增加到行为反应之前。这种调制是快速的，出现在视觉范式的第一天，并且独立于运动或觉醒状态。然后小鼠被切换回自由奖励范式，导致γ和行为之间的关联立即丧失。

γ事件速率随视觉 contingency 变化的快速调制与强化学习不一致，在强化学习中，关联是逐渐建立和消失的。因为γ事件与视觉整合相关，这种快速调制可能表明全局背景驱动了变化，这些变化在视觉指导行为期间特异性地增强了V1中的处理。与后者一致，研究人员发现，与视觉刺激自动关联给出的奖励比主动反应给出的奖励引起更 modest 的γ速率增加。此外，当小鼠接受听觉任务训练时，在正确反应之前，他们未观察到V1中γ速率的增加，表明非特异性全局觉醒或任务参与不是γ速率快速调制的原因。因此，行为反应时增加的γ具有感觉模态特异性，并对任务背景敏感，当视觉信息用于指导行为输出时，选择性地发生在V1中。

研究结论与意义

这项研究结果强调了一种替代性的分析方法，不同于主要在处理皮层模式时采用的、选择性适应振荡的分析框架。利用多通道记录的优势，研究人员发现将模式视为具有特征性层状结构的离散事件系列，能够有力地捕捉小鼠V1中γ活动的精细时间尺度动力学。虽然γ事件经常聚集在紧密的振荡片段中，但它们也以更不规则的间隔发生，并且这种复杂的时间分布解释了它们独特的功率谱特征。无论是孤立的还是聚集的γ事件都调节单个神经元的放电，将放电聚集到短时间窗口中，从而组织关于视觉刺激的信息。在V1中，当动物使用该视觉信息执行任务时，γ事件速率被选择性地调制，提供了一个灵活的框架，用于根据觉醒和行为背景编码感觉信息。

检查离散事件周围的神经活动可以为信号传播通过皮层回路的精确流程以及这些网络事件的功能影响提供独特的见解。研究结果强调了进一步开发基于事件检测皮层活动重复 motif 的方法的潜力。此外，研究结果表明，V1中的γ事件源于跨皮层层对dLGN输入的活动整合，而不是纯粹由局部兴奋-抑制相互作用产生。皮层处理涉及复杂的局部和长程回路，包括丘脑等皮下结构以及初级和高级皮层区域，并且目前尚不清楚局部产生的振荡如何在不同处理阶段同步。研究结果提出了一个替代过程，其中夹带通过短暂的级联同步事件发生，这些事件以信号传播通过皮层回路的特定相位和幅度对齐为特征。

总的来说，这些结果为先前在灵长类和啮齿类动物中的发现提供了一个统一的框架，并指出了跨皮层区域功能动力学研究的新途径。然而，γ事件发生率和影响的复杂调控机制尚未完全明了。研究人员确定了γ事件的丘脑皮层起源，但小鼠V1中的其他过程也可能贡献γ范围的能量。此外，这些网络事件在塑造下游视觉整合和跨背景行为反应中的确切作用仍有待进一步研究。