自由活动小鼠触须相关体感皮层中身体状态编码的多维表征研究

本研究针对自由活动状态下感觉皮层功能机制这一长期未解难题，通过创新性地结合Neuropixels探针记录与三维姿态追踪技术，首次揭示了小鼠触须相关体感皮层(wS1)不仅编码触须触觉信息，还广泛整合头部-脊柱构型等多维身体状态信号。研究发现即使去除触须传入输入后，wS1神经元仍持续表征身体状态，其中下颗粒层神经元对头部俯仰角(PC1)和运动速度(△locx)的编码尤为显著，为理解自然行为中感觉-运动整合的神经机制提供了全新视角。

　　

在神经科学领域，感觉系统如何在自由活动的动物中运作始终是悬而未决的核心问题。传统研究多采用麻醉或头部固定范式，虽揭示了感觉皮层对特定刺激的响应特性，却难以反映自然状态下感觉系统整合多模态信息的真实机制。这一认知缺口在触须体感系统研究中尤为突出——当小鼠探索环境时，其触须运动与头部姿态、身体位移高度协调，但皮层神经元如何同时处理触觉输入和身体状态信息仍属未知。

英国曼彻斯特大学生物医学与健康学院生物科学部神经科学分部的Luka Gantar、Matthew A. Burgess等研究者通过开发自由活动范式下的多模态记录技术，在《Current Biology》发表的研究首次系统揭示了触须相关体感皮层(wS1)对多维身体状态的动态编码规律。研究人员采用Neuropixels探针记录自由活动小鼠wS1神经元活动，同步通过四视角红外摄像系统追踪8个体表关键点的三维运动轨迹，结合机器学习建模定量解析了触觉与身体状态信号对神经元活动的贡献度。关键技术包括：自由活动小鼠的慢性电极植入术、基于DeepLabCut的三维姿态重建算法、XGBoost预测模型构建，以及通过双侧眶下神经切断术(ION)选择性消除触须传入输入的干预实验。

wS1神经元同时编码触须触觉和身体状态
通过构建"鼻-表面距离"(SSD)模型量化触须接触事件，研究发现wS1神经元能高精度预测触觉响应(R²达0.64)。引人注目的是，单独身体状态参数模型的预测精度(R²=0.13±0.12)与触觉模型相当，而二者联合模型(R²=0.18±0.15)显著提升了解释力，表明wS1存在触觉-身体状态的协同编码机制。

身体状态编码具有解剖层级特异性
皮层下颗粒层(L5/L6)神经元表现出最强的身体状态调制效应，其预测精度显著高于上颗粒层(L2/3/L4)(p<0.005)。这种层级分布模式提示深层皮层可能通过下行投射整合运动相关信息。

多维编码的鲁棒性验证
在双侧ION切断消除触觉输入后，身体状态模型仍保持原有预测能力(R²=0.13±0.10 vs 切断前0.13±0.12)，且84%神经元对PC1(头部俯仰角)和△loc_x(前进速度)的选择性保持不变。这种去传入后的持续性编码强有力地证实了身体状态信号的内源性起源。

身体状态参数的多维表征
统计显示97%神经元同时编码≥2个身体状态参数(均值3.6±1.3)，形成54种参数组合。PC1(34%神经元)和△loc_x(21%)是最主要的编码维度，其中78%的PC1敏感神经元偏好"低头"姿态，而80%运动敏感神经元呈现运动激活特性。

这项研究从根本上改变了人们对体感皮层功能的认识。传统观点将wS1视为触觉信息处理的初级节点，而该研究揭示其本质上是整合感觉输入与身体状态的多模态计算中心。这种整合可能通过三条通路实现：(1)前庭/本体觉通过腹后内侧丘脑(VPM)的直接输入；(2)运动皮层(M1)至L5的efference copy信号；(3)躯体触觉引发的间接调制。特别值得注意的是，与啮齿类视觉皮层(V1)主要编码头部位姿不同，wS1更侧重头部相对于身体的自我中心角度(如PC1)，这种差异可能反映不同感觉模态面临的特定计算挑战。

研究建立的自由活动范式为揭示自然行为中的神经编码规律提供了范式转变。未来通过更高精度的身体部位追踪(如口面部运动)和跨物种比较，将有望阐明感觉-运动整合的进化保守性。这些发现对发展脑机接口技术和神经假肢具有重要启示——只有同时解码运动意图和感觉反馈，才能实现真正的"具身化"智能控制系统。