内侧前额叶皮层自上而下的预测信号调控听觉皮层预测误差

本研究通过光遗传学抑制技术揭示内侧前额叶皮层（mPFC）向初级听觉皮层（A1）传递的预测信号对听觉偏差检测的关键作用。实验发现，mPFC抑制显著降低A1对罕见声音的预测误差（iPE）及神经元同步性，证实高阶脑区通过自上而下调控增强感觉皮层对意外刺激的响应。这一发现为预测编码理论（predictive coding）提供了直接神经环路证据，对理解精神疾病（如精神分裂症）中预测加工异常机制具有重要启示。

　　

内侧前额叶皮层自上而下的预测信号调控听觉皮层预测误差

研究背景与科学问题
大脑通过预测编码（predictive coding）框架构建环境模型，将感觉输入与内部预测比较，当两者不匹配时产生预测误差（prediction error, PE）。既往研究表明，听觉oddball范式中，初级听觉皮层（A1）和内侧前额叶皮层（mPFC）依次处理预测误差，但mPFC是否通过自上而下信号调控A1的预测误差生成尚不明确。本研究结合光遗传学抑制与多通道神经记录，首次揭示mPFC-A1环路在预测误差编码中的因果机制。

实验设计与关键发现
实验采用7只雌性Long-Evans大鼠，在mPFC注射AAV5-hSyn-eNpHR3.0-EYFP病毒，通过595 nm LED光抑制mPFC输出，同时在A1记录局部场电位（LFP）和单神经元活动。经典oddball范式（75 ms纯音，250 ms SOA，10%偏差概率）显示：

1. mPFC抑制降低A1预测误差：光抑制使A1各层（SG/G/IG）的神经元失匹配指数（iMM）显著下降（p<0.001），其中颗粒层（G）和 infragranular层（IG）的预测误差指数（iPE）降幅最显著（效应量Cohen’s d>0.69）。
2. 神经元同步性减弱：通过6,840对神经元交叉相关分析发现，mPFC抑制使A1内偏差诱发的神经元同步性降低42%（p<0.0001），表明mPFC通过增强功能集群（ensembles）响应意外刺激。
3. 层级特异性效应：SG层神经元iPE降幅与基线iPE呈正相关（r=0.27），提示高响应神经元更依赖mPFC输入。

机制与理论突破

1. 预测误差的时空动态：mPFC在刺激呈现早期（0–200 ms）即发送预测信号至A1，其抑制导致A1的30 ms延迟响应减弱，并阻断后续向mPFC的误差反馈（300 ms延迟响应消失）。
2. 皮层层级分工：SG层主导预测误差编码（iPE最高），而IG层更多参与重复抑制（iRS），符合预测编码理论中浅层计算误差、深层整合预测的假说。
3. 跨模态一致性：与视觉皮层研究类似，A1的SG层存在偏差检测集群，其同步性依赖mPFC输入，支持“前馈误差（gamma）与反馈预测（alpha/beta）”的频率分工理论。

临床与转化意义

1. 疾病模型关联：预测编码异常与精神分裂症（阴性症状）、自闭症的感知障碍相关，mPFC-A1环路失调可能是潜在机制。
2. 方法学创新：结合光遗传时序控制（精确到200 ms窗口）与多通道记录，为研究跨脑区信息流提供范式。

局限与未来方向

1. 麻醉可能削弱预测信号，需在清醒动物中验证；
2. mPFC具体投射路径（如经丘脑网状核或外侧嗅皮层）待解析；
3. 次级听觉区（如后听觉场）可能表现出更强效应，需扩展研究。

总结
本研究实证了mPFC通过自上而下预测信号“放大”A1对偏差的响应，而非单纯抑制重复刺激处理。这一发现革新了传统预测编码模型，提出高阶皮层通过增强（而非抑制）感觉区活动以凸显意外事件，为理解感知-认知交互提供了新视角。