视觉皮层时间编码机制揭示感知稳定性的神经基础

本研究通过超柔性电极阵列（NETs）长期追踪小鼠视觉皮层神经元活动，发现时间编码（temporal code）比速率编码（rate code）能更稳定地表征视觉刺激。研究人员首次在15天连续记录中证明，毫秒级放电时序模式可增强单神经元调谐稳定性，提升群体表征区分度，且其稳定性与网络功能连接密切相关。该成果发表于《Nature Communications》，为理解感知一致性神经机制提供了新视角。

　　

在瞬息万变的环境中，大脑如何维持稳定的视觉感知？这一科学难题的核心在于理解神经表征的长期稳定性机制。既往研究表明，视觉皮层神经元对相同刺激的反应会随时间发生漂移（drift），但关于这种漂移是否遵循特定规律、是否存在稳定编码维度等问题仍悬而未决。更关键的是，传统研究多依赖双光子钙成像技术，其有限的时空分辨率可能掩盖了毫秒级神经动态在感知稳定性中的作用。

为解决这些问题，莱斯大学的研究人员利用其研发的超柔性纳米电子线程（NETs），在小鼠视觉皮层实现了长达15天的大规模稳定记录。他们发现，当采用时间编码（捕捉毫秒级放电时序模式）而非传统的秒级速率编码时，视觉表征的稳定性显著提升。这项突破性成果发表于《Nature Communications》，首次系统揭示了时间编码在维持感知一致性中的核心作用。

研究团队采用四项关键技术：1）32通道超柔性电极阵列植入技术，实现组织无缝整合；2）跨15天的纵向电生理记录，追踪1204个神经元；3）线性判别分析（LDA）提取时间编码成分；4）统一流形近似投影（UMAP）分析群体表征动态。实验涵盖四种视觉刺激（漂移光栅、静态光栅、感受野Gabor、自然图像），通过计算调谐相似性、解码准确率等指标量化稳定性。

纵向追踪揭示调谐稳定性与漂移

通过稳定记录V1和LM区神经元，发现56-83%的神经元对特定刺激具有显著调谐性。约13-24%的神经元在7天后仍保持高度稳定的速率编码调谐曲线（相关系数>0.9）。值得注意的是，自然图像诱发的表征漂移显著高于人工光栅刺激，证实刺激复杂度影响稳定性。

时间解析的群体表征动态

在毫秒分辨率下，刺激诱发的群体放电轨迹在低维编码空间中形成明确几何结构：漂移光栅的8个方向呈放射状八边形，静态光栅的6个方向形成六边形排列。这些动态表征在15天内保持稳定，相同刺激轨迹的自相关（r=0.90）显著高于不同刺激（r=0.20）。关键发现是，不同刺激特征（如方向vs空间频率）的表征分离时间点具有跨日稳定性。

时间编码增强稳定性机制

LDA提取的时序成分（如激活时长CP1、时间对比度CP2）显示：1）对低可靠性神经元，时间编码使7天调谐相似性提升23%；2）群体表征与竞争刺激的区分度提高4.4-9.7倍；3）解码准确率随时间衰减减缓。进一步分析表明，时间编码的稳定性与网络功能连接（如突触后电位同步性）显著相关（r>0.8），而速率编码仅弱相关（r<0.3）。

这项研究确立了时间编码在感知稳定性中的核心地位：毫秒级放电时序不仅携带更丰富的刺激信息，更能通过整合多突触输入动态抵抗表征漂移。该发现为理解神经可塑性与稳定性平衡提供了新框架，对脑机接口稳定性优化、精神疾病感知异常机制研究具有重要启示。超柔性电极技术与时间解析方法的结合，为未来研究神经动态的长期演化规律树立了新范式。