《Nature Neuroscience》：Modality-specific reactive and predictive responses in the human superior colliculus
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受近期强调预测性神经加工（predictive neural processing）的理论工作启发，研究人员检验了作为多模态感觉整合的中脑结构——上丘（superior colliculus, SC）——是否会对视觉与体感刺激均表现出预测性响应。多阶段实验设计
受近期强调预测性神经加工（predictive neural processing）的理论工作启发，研究人员检验了作为多模态感觉整合的中脑结构——上丘（superior colliculus, SC）——是否会对视觉与体感刺激均表现出预测性响应。多阶段实验设计使研究人员能够在7特斯拉功能磁共振成像（7-Tesla functional magnetic resonance imaging, 7-Tesla fMRI）下绘制上丘各层感觉响应（N=80）。与非人动物研究一致，视觉与体感刺激引发了不同的深度依赖性响应。研究人员还观察到一种预测性响应：在直接刺激前的任务期，当视觉与体感条件下感觉运动输入完全相同时，上述同样的模态特异且深度依赖的效应也会出现。进一步分析排除了跨试次遗留效应，并在丘脑感觉核团中发现了对应效应。结果表明，在人脑中上丘对视觉与体感输入均敏感，并且携带即将到来感觉事件的预测信号。
研究背景方面，上丘长期被视为与视觉注意和视觉引导行为相关的中脑结构。非人脊椎动物研究提示，上丘浅层主要处理视觉输入，中间层与深层则对视觉、听觉和体感输入及多感官整合敏感，并参与眼、头与身体运动控制。已有人类研究支持上丘存在类似功能组织，但标准3特斯拉fMRI空间分辨率有限，难以解析上丘各层；且既往视角多聚焦上丘如何“反应”于感觉刺激，而稳态（allostasis）与预测加工（predictive processing）框架强调大脑应利用内部模型预测并准备尚未发生的感觉输入。因此，尚缺高分辨率证据来同时验证人脑上丘的层状模态组织及其预测性感觉信号。
研究人员利用本团队原有用于强化学习研究的7特斯拉fMRI数据集（N=80，视觉组与体感组各40人）开展分析。实验为概率性回避学习任务：视觉组观看国际情感图片系统（International Affective Picture System, IAPS）图片，体感组接受左拇指机械压力；每试次含图形呈现期、刺激前决策期和感觉刺激期。研究发现，上丘BOLD响应按 voxel depth 呈模态特异组织：视觉刺激浅层强于深层，体感刺激深层强于浅层；且在刺激前决策期，两组当前感觉与运动输入相同，上丘仍出现与即将到来刺激模态一致的层特异模式，说明存在预测性响应。形状呈现期模式不同，多变量分类也显示预测期与反应期空间模式相似、与形状呈现期相异，排除跨试次携带效应。外侧膝状体（lateral geniculate nucleus, LGN）与腹后外侧核（ventral posterolateral nucleus, VPL）分别表现视觉与体感的反应性及预测性响应。论文发表于《Nature Neuroscience》。
关键技术方法方面，研究人员使用80名18至40岁右利手健康人（波士顿地区招募，视觉与体感模态各40人）的7特斯拉fMRI数据，体素各向同性1.1 mm；采用基于EPI的解剖重建匹配功能与解剖畸变，按预定义ROI结合被试水平导水管周围灰质（periaqueductal gray, PAG）与脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）掩膜生成被试特异上丘掩膜，再用DARTEL做组水平对齐；对上丘内体素分析做3 mm FWHM平滑，对混合效应模型与多体素分类不平滑；使用线性混合效应模型检验 voxel depth、左右侧、决策类型与感觉模态的交互，并用留一被试交叉验证的支持向量机（support vector machine, SVM）做多体素模式分类。
研究结果如下。
视觉与体感刺激在上丘各层引发空间分离的BOLD响应：通过线性混合效应模型分析 voxel depth 与感觉模态交互，发现视觉刺激时浅层BOLD高于深层，体感刺激时深层高于浅层；左右侧与模态交互显示体感刺激在右侧上丘更强，符合左拇指刺激的对侧响应，验证上丘层状模态组织。
预期视觉与体感刺激也在上丘各层引发空间分离BOLD响应：在刺激前决策期，虽两组按钮与视觉输入相同，上丘仍出现与未来模态一致的深度依赖模式；形状呈现期模式与之不同，说明预测期效应不是前试次残留，而是对即将发生刺激的预见。
通过多变量模式分析验证BOLD响应相似性：用SVM分类器训练刺激前决策期、感觉刺激期与形状呈现期地图，结果显示预测期与反应期可互判视觉/体感标签且高于机会水平，形状呈现期则不能，证明上丘预测性与反应性空间模式相似，且不同于前一时期。
丘脑核团中的预测性与反应性视觉、体感响应：LGN在感觉刺激期与刺激前决策期均对视觉组响应更强，形状呈现期无组间差异；VPL在体感刺激期右VPL强于左VPL，决策期视觉预期时左化、体感预期时双侧化，形状呈现期左化准备右手按键，说明单模态丘脑核团同样具有反应与预测信号。
讨论部分总结：研究人员指出，上丘通常被研究为对感觉刺激的反应结构，而本研究显示上丘与丘脑核团既“反应”也“预期”视觉与体感刺激；7特斯拉fMRI揭示的浅—深梯度与人类及非人灵长类层状组织一致。该结果支持稳态与预测加工框架：大脑利用感觉运动习惯预测外界输入，上丘不再只是预测误差后的快速运动协调器，而参与刺激到达前的预测级联。作者也说明局限：深层体感预期可能混杂机械压力诱发的被动拇指运动与运动指令，不能区分是局部拇指表征还是对不悦刺激的广泛警觉；相邻PAG部分容积效应已被被试水平掩膜与控制分析削弱；扫描中未记录眼动，不能彻底排除微小注视差异。LGN与VPL结果提示预测信号分布于广泛皮层下回路，未来需厘清网络方向性与特异性。
研究结论部分翻译：本研究证实人脑上丘是一个按层组织的结构，既处理视觉也处理体感信息，并进一步证明上丘在应对与预期视觉、体感刺激时均表现出层特异BOLD响应模式。该发现与稳态（allostasis）及预测加工（predictive processing）理论框架一致，这些框架提出大脑利用可预测的感觉运动偶发关系，在复杂环境中调节适应行为。未来研究可进一步精炼结果，尤其应纳入试次间或试次内预测偶发关系。总之，本研究表明皮层下核团并非感觉输入的被动接收者，而是既对来自外部世界的感觉输入作出反应，也对其加以预期。
