编辑推荐：
在生物感知中，准确识别环境物体至关重要。为探究神经群体如何对自然通讯刺激进行不变性编码，研究人员以电感觉系统为对象开展研究。结果发现，突发式放电可在群体层面实现不变性编码，且存在最优水平。这为理解神经编码机制提供了新视角。
在神秘的生物感知世界里，准确识别环境中的物体是每个生物生存的关键技能。想象一下，一条小鱼在复杂的水域环境中，必须迅速且准确地识别同伴发出的信号，才能顺利进行社交互动，否则就可能错失交流机会，甚至面临危险。在神经科学领域，科学家们一直致力于探索生物体如何实现这种精准的感知。以往研究发现，视觉、听觉和嗅觉等多个感觉系统中都存在对物体身份保持变换的刺激波形具有不变性响应的神经元，这种不变性表示被认为是生物体实现上下文无关感知的神经基础。然而，这种不变性响应在大脑中究竟是如何产生的，却如同神秘的谜题，一直困扰着科研人员。
为了揭开这个谜题，来自麦吉尔大学（McGill University）的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦在电感觉系统上，该系统存在于电鳗等弱电鱼类中。这些鱼类能通过自身的电器官放电（EOD）在身体周围产生电场，并利用外周电感受器感知电场的变化，这种系统与哺乳动物的视觉、听觉和前庭系统有诸多相似之处，且其解剖结构清晰，自然刺激简单易模拟，为研究提供了理想的模型。
研究人员发现，在电感觉系统的中脑电感觉侧线叶（ELL）的锥体神经元群体中，突发式放电（burst firing）在对自然电通讯刺激的编码中起着关键作用。这一研究成果发表在《iScience》杂志上，为神经科学领域对感觉信息编码机制的理解带来了新的突破。
研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先，通过 Neuropixels 探针进行多单元记录，同时记录 ELL 神经群体对自然电通讯刺激的反应，获取神经元的活动数据；其次，构建了一个包含体细胞和树突状 compartments 的计算模型，模拟 ELL 锥体神经元的活动，该模型能很好地拟合实验数据；最后，利用相关性分析和分类器等数据分析方法，量化神经元活动的相似性以及对刺激的判别性能。
下面来看具体的研究结果：
- 突发式放电介导自然电通讯刺激的不变性群体编码：研究人员记录了 ELL 锥体神经元对自然电通讯刺激的反应，发现单个 ELL 锥体神经元会产生突发式放电。通过将尖峰分为爆发尖峰序列（burst spike train）和孤立尖峰序列（isolated spike train），研究人员发现，仅考虑爆发尖峰序列时，网络活动在刺激开始后会有一个初始上升阶段，且不同刺激波形对应的网络活动相互重叠。而考虑完整尖峰序列（full spike train）或孤立尖峰序列时，网络活动则更加异质，重叠度较低。通过计算相关系数发现，爆发尖峰序列的相关系数显著高于其他两种序列，这表明爆发尖峰序列能为自然电通讯刺激（如 chirps）提供更不变性的表示。
- ELL 中突发式放电对自然电通讯刺激的不变性编码在群体而非单个神经元水平：研究人员进一步分析单个神经元的放电活动，发现其对不同 chirp 刺激波形的反应在叠加时重叠程度较低，相关系数也较低，这说明单个神经元并不能提供对自然电通讯刺激的不变性表示。而在不同群体规模下的研究发现，随着群体规模的增加，考虑爆发尖峰序列时网络活动的重叠度逐渐增加，相关系数也显著提高。这表明突发式放电对自然电通讯刺激的不变性编码是在群体水平上实现的，并且群体规模的增大有助于增强这种不变性。此外，研究人员还对 ON - 和 OFF - 型细胞分别进行分析，发现随着群体中细胞数量的增加，这两种类型细胞在考虑爆发尖峰序列时网络活动也逐渐重叠，且混合 ON - 和 OFF - 型细胞的群体能进一步提高群体水平的不变性。
- ELL 锥体神经元活动的双室模型显示对自然电通讯刺激的不变性编码：为深入理解突发式放电在群体水平实现不变性编码的原因，研究人员使用了一个计算模型。该模型能很好地重现实验结果，即考虑爆发尖峰序列时，对不同 chirp 波形的网络活动相似性更高，相关系数也显著高于考虑完整或孤立尖峰序列时。同时，研究发现，群体规模增加导致的不变性提高并非由于有限尺寸效应的平均化，而是源于 ELL 锥体神经元反应谱的异质性。
- 自然电通讯刺激的不变性群体编码在突发式放电的中间水平达到最优：研究人员通过调整模型中最大树突钠通道电导（gNaD）来改变突发式放电水平，研究其对不变性群体编码的影响。结果发现，当模型的突发式放电水平过高或过低时，不变性群体编码都会受到影响。只有在中间水平的突发式放电时，才能实现对自然电通讯刺激的最优不变性编码，且这一最优水平与实验中观察到的突发式放电水平相似。此外，通过对实验数据的分析也发现，相关性在爆发分数（burst fraction）为中间值时达到最大，这进一步表明突发式放电在 ELL 锥体神经元中受到调节，以优化对自然电通讯刺激的不变性群体编码。
- ELL 锥体神经元在可辨别性和不变性之间不存在权衡：研究人员最后探究了不变性群体编码是否会以牺牲刺激可辨别性为代价。通过使用分类器量化 ELL 锥体神经元群体对不同刺激波形的判别性能，研究发现，考虑完整尖峰序列时，分类器的判别性能最高，但这主要是由于孤立尖峰序列的作用。而考虑爆发尖峰序列时，虽然判别性能低于完整尖峰序列，但却表现出更高的不变性。这表明 ELL 锥体神经元群体能够在可靠识别自然电通讯刺激的同时，最大化不变性，即可辨别性和不变性并非相互排斥。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，突发式放电在神经群体层面为自然电通讯刺激提供了比完整或孤立尖峰序列更具不变性的表示，这揭示了突发式放电在感觉信息编码中的一个重要新功能。同时，研究还表明 ELL 锥体神经元的突发式放电水平似乎经过优化，以实现对自然电通讯刺激的最佳不变性群体编码，且这种编码可能受到多种机制的调节。此外，研究人员推测，电感觉系统中的下游神经元（如中脑半规管隆起（TS）神经元）可能对 ELL 神经群体的爆发尖峰序列进行解码，从而构建对自然电通讯刺激的不变性表示，但这一假设还需要进一步研究验证。另外，研究人员也意识到本研究仅考虑了同性同种个体之间相互作用时产生的自然电通讯刺激，未来还需研究异性同种个体之间相互作用时产生的刺激在群体水平上是如何编码的。总体而言，这项研究为理解神经群体如何编码感觉信息提供了重要的见解，可能对其他感觉系统的研究也具有重要的启示意义，为神经科学领域的进一步探索奠定了基础。
