自由活动小鼠上丘神经动力学研究揭示浅深层在主动视觉中视觉与运动功能的分离机制

为解决自由活动状态下上丘（SC）在主动视觉中如何整合视觉与运动信号的问题，研究人员开展了SC浅层（sSC）与深层（dSC）神经活动记录研究，结合头眼运动追踪，发现sSC响应由视觉输入驱动，而dSC编码头部运动本身，揭示了SC在主动视觉中功能分离的神经机制，为理解视觉-运动整合提供了新视角。

　　

视觉是一个主动的过程，动物通过头部和眼球的运动来探索周围的环境。在这个过程中，上丘（Superior Colliculus, SC）作为一个高度保守的中脑结构，在视觉处理和运动输出中扮演着关键角色。它分为浅层（sSC）和深层（dSC），分别负责接收视觉输入和产生运动指令。然而，大多数研究都是在头部固定或受限制的条件下进行的，这限制了对自由活动中视觉-运动整合机制的理解。尤其是在自由活动状态下，sSC和dSC如何协同工作，以及它们如何处理由头部和眼球运动带来的视觉变化，仍然不清楚。此外，尽管初级视觉皮层（V1）在自由活动中表现出与扫视相关的“由粗到细”（coarse-to-fine）的视觉处理动态，但SC是否具有类似的机制尚不明确。因此，在自由活动状态下研究SC的神经活动，对于揭示主动视觉的神经基础具有重要意义。

为了深入探究这些问题，研究人员开展了一项针对自由活动小鼠SC神经动力学的研究。他们采用慢性电生理记录技术，结合头戴式摄像头系统，同步记录SC的神经元活动、眼球位置、头部运动以及动物视野的变化。实验对象为11只5-10月龄的C57BL/6J小鼠，包括雄性和雌性，数据合并分析。实验首先在头部固定状态下测量神经元对视觉刺激（如白噪声、棋盘格和漂移光栅）的反应，随后立即进行自由活动记录，包括在光照和黑暗条件下的会话。通过局部场电位（LFP）反应确定电极在SC中的深度，将神经元分为sSC（0-300μm）和dSC（>300μm）。数据分析包括计算事件相关时间直方图（PETH）、对比调制指数（CMI）、运动调谐指数（HTI）以及爆发触发平均（BTA）等方法，以评估神经元对视觉和运动事件的反应。

研究结果显示，在自由活动过程中，小鼠表现出典型的“扫视-注视”行为模式，包括 gaze-shifting（ gaze 转移）和 compensatory（补偿性）头眼运动。通过记录542个神经元的活动，发现57.9%的神经元对 gaze-shifting 运动有反应，而只有22.0%对补偿性运动有反应。sSC神经元在 gaze-shifting 运动后立即出现 firing rate 的正或负变化，反应与运动方向无关，且在黑暗条件下消失，表明确由视觉输入驱动。相反，dSC神经元在运动前就开始活动，持续到运动后，编码运动方向，且在黑暗条件下反应保持不变，表明其编码运动本身。进一步地，通过头部固定下的视觉刺激实验，发现sSC神经元对视觉对比度有强烈反应，并具有明确的感受野，而dSC神经元则对头部运动速度有调谐，视觉反应较弱。

在 Temporal dynamics of gaze shift responses in SC 部分，研究发现sSC和dSC对 gaze-shifting 运动的反应具有明显不同的时间动态。sSC神经元反应快速，峰值延迟多在100ms内，而dSC神经元活动在运动前500ms就开始，持续到运动后500ms。通过聚类分析，sSC神经元的反应可分为早期阳性、晚期阳性、双相和阴性四种类型，分布与V1不同，sSC中早期阳性细胞更多，双相细胞较少。这表明sSC和V1在 gaze shift 诱导的视觉处理中具有不同的时间组织。

在 dSC gaze-shift responses persist in the dark, but sSC responses do not 部分，黑暗实验证实了sSC反应的视觉依赖性，而dSC反应则与视觉输入无关，进一步支持了sSC处理视觉变化、dSC编码运动指令的结论。

在 sSC neurons are tuned to visual contrast, while dSC neurons are tuned to head movement 部分，通过对比调制指数（CMI）和运动调谐指数（HTI）分析，发现sSC神经元强烈 modulated by 视觉对比度，而dSC神经元则对头部运动有强烈调谐。这从功能上明确了sSC和dSC在主动视觉中的分工。

在 sSC neurons have unique gaze shift-initiated temporal dynamics when compared to V1 部分，研究比较了sSC和V1对 gaze shift 的反应，发现sSC的 temporal sequence 与V1类似，但细胞类型分布不同，且sSC更倾向于处理低空间频率（SF）和高时间频率（TF）的视觉信息，表明其更专注于快速和粗略的视觉处理，与V1的 coarse-to-fine 处理有所不同。

在 Head movements predominate over eye movements in the mouse dSC 部分，通过分析头部和眼球运动分别对齐的PETHs，发现dSC神经元的反应更与头部运动相关，而非眼球运动。爆发触发平均（BTA）分析显示，dSC细胞的爆发活动更倾向于驱动头部运动，表明在小鼠中，dSC主要编码头部运动，这与 primates 中以眼球运动为主的情况不同。

研究结论和讨论部分归纳了本研究的核心发现：在自由活动状态下，sSC和dSC在主动视觉中扮演 distinct roles，sSC负责处理 gaze shift 带来的视觉变化，而dSC则编码头部运动本身。这种功能分离揭示了SC在整合感觉-运动信号中的神经机制。此外，与V1相比，sSC在视觉处理上更注重快速和粗略的特征，这可能与其在检测 salient 刺激中的 role 有关。研究的局限性包括仅记录了SC的一个位点，未探索 topography 变化，以及 dSC 神经元可能对未测试的视觉特征有调谐。未来研究可以进一步探索SC在更复杂行为中的电路机制，以及不同 cell types 在主动视觉中的具体功能。本研究发表在《Cell Reports》，为理解自由活动中视觉-运动整合提供了重要基础，强调了在自然行为条件下研究神经 dynamics 的重要性。