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为探究感觉和行为体验对视觉皮层刺激编码的影响，伦敦大学学院（UCL）研究人员开展对小鼠 V1 神经元定向调谐的研究。结果发现训练可使 V1 群体反应稀疏且正交化，该成果有助于理解大脑视觉处理机制，为相关领域研究提供新方向。
在神奇的大脑世界里，视觉感知一直是科学家们深入探索的重要领域。当我们看到周围的世界时，大脑中的视觉皮层会产生一系列复杂的反应。然而，目前关于感觉和行为体验如何改变视觉皮层对刺激的编码，仍然存在诸多谜团。比如，不同研究中，神经元对任务刺激的表征数量、方向调谐曲线的变化等结果都不一致，这让我们对大脑视觉处理机制的理解变得更加困难。而且，对于皮层表征可塑性的功能，到底是提高刺激编码保真度，还是服务于其他目的，也尚无定论。在这样的背景下，为了揭开这些谜团，伦敦大学学院（UCL）的研究人员展开了一项极具意义的研究。
这项研究成果发表在《Cell Reports》上，为我们理解大脑的视觉处理机制带来了新的曙光。研究人员通过一系列实验，得出了令人瞩目的结论。这不仅有助于我们深入了解大脑在视觉学习过程中的工作方式，也为未来相关领域的研究提供了重要的理论基础，具有深远的意义。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是双光子钙成像技术，用于观测小鼠 V1 神经元的活动情况；二是设计了视觉运动关联任务，让小鼠在训练中学会对不同方向的光栅做出相应动作；三是构建计算模型，模拟下游解码器的工作，评估神经元活动对决策的影响。
下面来看具体的研究结果：
- 理想解码器在训练前就可完美区分任务刺激：研究人员发现，无论是训练前还是训练后，单个细胞都能形成高保真的群体编码，理想解码器（线性判别分析）能以几乎 100% 的准确率区分与运动相关的两个方向（45° 和 90°）的刺激。这表明，至少对于实验中使用的刺激，相关神经噪声并不会从根本上限制刺激编码的保真度。
- 训练使与任务相关方向的群体反应稀疏且正交化：通过 “靶心图” 和主成分分析（PCA）等方法，研究人员发现训练可使群体对任务相关刺激的反应稀疏化和正交化。具体表现为，训练后对任务刺激做出反应的神经元数量减少，且对两个任务刺激都做出反应的细胞数量也降低，同时群体反应向量之间的夹角增大，余弦相似度显著降低，这意味着刺激表征的重叠减少。
- 计算模型显示稀疏化和正交化有助于决策：研究人员构建的与皮层表征相似性相关的神经解码器计算模型表明，当皮层活动基于训练后的记录进行模拟时，模型的表现明显更好。这是因为训练减少了总兴奋性输入到决策单元，但未改变两个决策单元之间的兴奋性输入差异，反而通过减少前馈抑制，提高了决策网络的输出，从而增加了正确选择的概率。
- 训练抑制弱调谐细胞对任务刺激的反应：训练后，小鼠的调谐曲线常变得不规则且多峰，尤其是在弱方向调谐的细胞中。这是因为训练抑制了细胞对运动相关方向（45° 和 90°）的反应，且这种抑制在弱调谐细胞中更为明显，从而改变了模态方向偏好的分布，还使调谐曲线的形状发生变化，不对称地增加了调谐曲线在这些方向上的斜率。
- 群体编码转换的简单方程：尽管训练对单细胞调谐曲线的影响看似复杂，但可用一个简单的群体编码转换方程fc,θ′=g0(fc,θ)来准确概括。该方程通过对每个细胞的反应应用依赖于刺激的凸变换gθ，来捕捉 V1 群体编码的可塑性。其中，gθ对运动相关刺激最为凸，表明对这些刺激有适度反应的细胞，其反应在训练后会被进一步抑制，而对刺激反应强烈或无反应的细胞则不受影响。
- 群体编码转换随行为状态动态变化：研究发现，群体编码转换的凸度在不同试验之间存在显著差异，且与行为状态相关，尤其是在刺激呈现前小鼠的胡须运动。同时，这种转换对皮层活动的抑制在 V1 中代表任务刺激的地形学区域最为强烈，这表明存在一种电路机制，可抑制皮层活动，且抑制程度在不同试验中有所变化，对运动相关刺激的抑制最强。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，训练通过群体编码转换使 V1 群体反应稀疏且正交化，这种转换虽未提高刺激编码的保真度，但有助于下游电路对两个任务相关方向产生不同的运动反应，可能有助于打破动物在行为反应中的归纳偏差。此外，研究结果还表明，这种可塑性可能源于任务相关刺激驱动的局部但非特异性抑制，而不是兴奋性突触的可塑性。然而，该研究也存在一定的局限性，比如未明确任务训练对群体编码的转换是否比被动刺激暴露更强等。但总体而言，这项研究为我们理解大脑视觉皮层的可塑性和功能提供了重要的见解，为后续研究指明了方向，对深入探究大脑的视觉处理机制具有重要的推动作用。
