嗅球输出解码：基于速率、同步性和呼吸相位编码的行为学评估揭示嗅觉信息处理新机制

本研究通过闭环光遗传学技术结合定制行为范式，系统解析了嗅球输出神经元活动的时间编码特征。研究人员发现小鼠能区分嗅球输出神经元的放电频率（rate coding）和同步性（synchrony），但对呼吸周期相位（sniff-latency）不敏感，揭示了嗅觉系统在初级处理阶段向高级中枢传递信息时存在编码格式的渐进式转换，为理解感觉信息处理的层级机制提供了新视角。

　　

嗅觉系统因其独特的呼吸节律耦合特性，成为研究感觉信息时间编码的理想模型。长期以来，嗅球（olfactory bulb, OB）输出神经元（mitral/tufted cells, MTCs）的呼吸相位锁定（sniff-locking）被认为在嗅觉信息编码中起关键作用，但其行为学意义尚不明确。传统观点认为，嗅球可能通过动作电位的时间延迟（latency coding）或放电频率（rate coding）传递信息，但这些编码方式在下游神经网络中的可读性缺乏直接证据。

为解决这一科学问题，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）的Xiaochen Fu和Izumi Fukunaga团队在《iScience》发表研究，通过闭环光遗传学刺激结合行为学分析，首次在活体动物中系统评估了嗅球输出神经元不同时间编码特征的行为相关性。研究创新性地构建了呼吸节律同步的光遗传刺激系统，精确控制MTCs轴突（lateral olfactory tract, LOT）的放电频率、相位和同步性，并通过Go/No-Go行为范式量化小鼠的感知能力。

关键技术包括：（1）在Tbx21-Cre::Ai32转基因小鼠中特异性激活MTCs；（2）高密度神经探针（Neuropixels）记录嗅球神经元活动；（3）基于呼吸相位检测的闭环光遗传刺激；（4）双光纤异步刺激技术；（5）行为学定量分析（auROC曲线）。

大尺度电生理证实嗅球输出的速率和延迟均携带嗅觉信息
通过Neuropixels记录清醒小鼠嗅球神经元对气味刺激的响应，发现86%神经元（274/319）的自发活动与呼吸节律锁相。多分类支持向量机（SVM）分析显示，基于300ms时间窗内放电频率或峰电位延迟（spike latency）的解码准确率分别达53.7%和43.8%，证实嗅球输出同时采用两种编码方式。

闭环光遗传系统实现呼吸周期内精确激活
在MTCs轴突（LOT）处实施光遗传刺激，单脉冲可诱发31.3%神经元放电（56/179单位），三脉冲使平均放电数从0.25增至0.79（p=5.45×10^-15
）。系统时间误差仅0.88±0.38ms，成功建立呼吸节律耦合的合成感知范式。

小鼠可感知放电频率的微小差异
行为学实验显示，小鼠能区分单次与多次刺激（auROC=0.75），甚至能检测单脉冲刺激（p<0.01）。值得注意的是，刺激相位（20/50/80ms延迟）不影响频率辨别能力（p=0.12），暗示呼吸相位可能非必要信息载体。

呼吸相位编码在下游神经网络中不可读
训练小鼠区分吸气相（20ms）与呼气相（120ms）的刺激时，学习曲线无改善（预测值=-0.0012±0.0021）。采用斜坡光刺激（8mW）降低激活同步性后，相位辨别仍处于随机水平（auROC=0.46-0.55），证实嗅球输出的时间信息可能未被下游网络解码。

神经元间同步性具有行为相关性
双光纤刺激实验表明，小鼠能区分LOT轴突的同步与异步激活（△t=250ms时auROC=0.71）。固定呼吸相位（20ms延迟）时的辨别性能优于随机相位（p=7.26×10^-5
），提示呼吸节律可能通过调制网络状态间接影响信息处理。

该研究首次在行为学层面证明，嗅觉系统在信息传递过程中存在编码格式的层级转换：初级嗅球同时采用频率编码和时间编码，而下游网络主要读取频率和同步性信息。这一发现挑战了呼吸节律作为绝对时间参考的传统观点，为理解感觉系统信息处理原则提供了新范式。从技术角度看，建立的闭环光遗传-行为学平台为研究神经编码与行为关联设立了新标准。未来研究可进一步探索不同靶向脑区（如piriform cortex）对嗅球输出信息的解码机制，以及呼吸振荡在神经网络状态调控中的作用。