基于微型显微镜成像与机器学习的可卡因自我给药过程中次级运动皮层钙信号时空模式研究

本研究通过微型显微镜（miniScope）Ca2+成像与机器学习技术，揭示了可卡因自我给药（IVSA）早期对次级运动皮层（M2）神经元时空活动模式的重塑作用。研究发现，可卡因组M2钙瞬变频率及频率-振幅交互特征显著区别于生理盐水组，且15秒时间窗为最佳分析尺度，为成瘾早期神经机制提供了新见解。

　　

药物成瘾作为一种慢性脑功能紊乱疾病，其神经机制研究长期聚焦于前额叶皮层，但近期证据表明次级运动皮层（M2）在药物寻求行为中可能发挥关键作用。然而，M2在成瘾早期的动态神经活动特征及其与药物强化的关系仍不明确。印第安纳大学医学院的研究团队通过创新性地结合微型显微镜Ca²⁺成像与机器学习算法，首次系统描绘了可卡因自我给药过程中M2神经元的时空编码模式，相关成果发表于《Neuropharmacology》。

研究采用16只C57BL/6J雄性小鼠，通过颈静脉导管植入术建立可卡因/生理盐水自我给药模型，结合GRIN透镜植入M2区域进行活体钙成像。运用递归神经网络（RNN）分析时间模式，支持向量机（SVM）和极限梯度提升（XGBoost）解析空间特征，重点考察了静脉物质（可卡因vs生理盐水）、给药天数（第1天vs第5天）和会话内阶段三个维度的神经活动差异。

Saline vs. cocaine taking behaviors
可卡因组在第5天的摄入量显著高于第1天，且单次会话内操作行为持续活跃，与生理盐水组逐渐减退的行为模式形成鲜明对比。开放场地测试排除了基础运动能力差异的干扰。

Temporal and spatial patterns
15秒时间窗分析显示，可卡因组M2钙瞬变呈现独特的频率-振幅耦合特征，而单纯振幅参数无组间差异。机器学习模型证实静脉物质类型（而非给药天数或会话阶段）是区分神经活动的决定性因素。

讨论与意义
该研究首次揭示可卡因暴露早期即可引起M2神经元活动的时空重组，这种改变可能为后续复吸行为奠定神经基础。采用15秒分析窗口的创新方法为成瘾研究提供了新范式，微型显微镜与机器学习技术的结合展示了其在解析复杂神经环路中的独特优势。研究不仅拓展了对成瘾神经环路的认识，更为开发基于M2靶点的干预策略提供了理论依据。值得注意的是，作者团队特别致谢了印第安纳大学高性能计算平台的支持，突显了跨学科合作在神经科学研究中的重要性。