自由活动小鼠触觉辨别任务揭示丘脑皮层系统的神经元动态编码机制

研究人员开发了一种新型自由活动小鼠触觉辨别范式，解决了传统头固定实验中无法模拟自然行为的局限。通过结合高分辨率电生理记录和钙成像技术，揭示了丘脑皮层系统（VPM/POm）在触觉学习和决策中的分布式编码机制，发现桶状皮层（BC）对学习的关键调控作用，为研究自然行为下的感知-运动整合提供了创新平台。

　　

在神经科学研究中，触觉感知的神经机制一直是重要课题。啮齿类动物的胡须系统作为经典模型，已帮助科学家揭示了从单神经元到突触水平的感知编码原理。然而，现有研究多采用头固定范式，这种人为限制无法模拟动物在自然环境中的自由探索行为——比如用胡须导航迷宫寻找食物。更关键的是，头固定状态下舔舐行为与感知过程的重叠，使得神经活动解读变得复杂。这些局限促使科学家们思考：能否开发一种兼容自由活动和高精度神经记录的研究范式？

德国海德堡大学（Heidelberg University）Filippo Heimburg团队在《Nature Communications》发表研究，设计出首个适用于自由活动小鼠的胡须依赖的"通过/不通过"（go/no-go）触觉辨别任务。该平台通过模块化线性轨道、自动化孔径调节系统和多模态数据采集，实现了对自然行为下神经元动态的精确解析。研究采用四项核心技术：1）集成红外传感和高速摄像的行为监测系统；2）多脑区同步记录的64通道电极阵列（覆盖BC、VPM、POm和ZIv）；3）POm脑区的GCaMP6f钙成像；4）基于DeepLabCut的胡须运动追踪算法。

触觉辨别装置与学习范式
研究人员构建的线性平台配备可调宽度孔径（25-45mm）和两端奖惩装置。小鼠需用胡须辨别孔径宽度决定是否舔舐端口获取奖励。通过分阶段训练（初始规则→中性孔径→规则反转→消退），发现小鼠最快471次试验即可达到专家水平（d'=1.65），且能区分最小6mm的孔径差异。

电生理与光学记录
多脑区记录显示，触觉响应在丘脑皮层系统呈层级传递：ZIv最早（15.3±4.1ms），其次为VPM（21.7±5.3ms）、POm（24.1±6.8ms）和BC（28.9±7.5ms）。值得注意的是，63.2%的BC神经元在训练过程中发展出孔径选择性，而POm的钙信号能通过CNN分类器以87.65%准确率解码孔径宽度。

双侧输入与皮层必要性
胡须麻醉或BC损毁均使性能降至阈值以下（p<0.001），但胡须运动解码精度不受影响（p>0.05），证实任务依赖纯触觉输入。BC损毁小鼠学习耗时增加4倍（2023 vs 478次试验），表明皮层对快速学习的关键作用。

自然决策与行为状态
专家小鼠表现出更短的反应时（158±21ms vs 412±67ms）和舔舐潜伏期，且CR（正确拒绝）试验中胡须摆动周期减少（p<0.01）。空间分析揭示8.7%的POm神经元具有位置调谐，而VPM和ZIv更多编码头部方位（p<0.05）。

这项研究建立了首个自由活动条件下的触觉研究范式，突破了传统头固定系统的三大局限：1）实现感知-运动分离；2）捕捉转头等自然决策指标；3）兼容长期神经记录。发现BC选择性表征的发育是学习效率的关键，而POm作为高阶丘脑核团同时编码感觉和运动参数。该平台为研究自然行为下的感知-运动整合、认知灵活性及丘脑皮层环路功能提供了标准化工具，相关方法已开源共享（Zenodo:10.5281/zenodo.15051370）。未来可拓展用于研究知觉模糊、记忆保持等高级认知功能，为理解脑疾病中的感知障碍提供新视角。