频率依赖性的丘脑皮层传递限制了感觉驱动的持续皮层表达

《iScience》：Frequency-dependent thalamocortical transfer limits sustained cortical expression of sensory drive

　　

## 要点

- 皮层BOLD反应在中等频率的感觉刺激下达到峰值
- 当高频皮层反应减弱时，丘脑核团仍保持响应性
- 直接皮层激活保留了持续的高频BOLD反应
- 皮层频率调谐反映了通路水平的传递约束

## 摘要

频率依赖的感觉驱动在到达皮层表达之前必须经过丘脑-皮层通路传递，然而高频输入如何被转化为持续的皮层活动仍不清楚。我们在右美托咪定镇静的雄性大鼠中结合使用11.7-T fMRI、通路特异性光遗传学刺激、调谐爆发式丘脑驱动和动态因果建模（DCM），研究了腹侧后外侧丘脑（VPL）至初级体感前肢皮层（S1FL）通路。前肢爪部外周刺激显示皮层在中等频率下具有调谐特性，而丘脑核团在高频下仍保持响应。直接激活S1FL诱发了持续的高频血氧水平依赖（BOLD）反应，表明当下游中继被绕过时，皮层能够表达高频驱动。相比之下，直接激活VPL产生了强烈的丘脑反应，但高频皮层反应较弱且以起始期为主，调谐爆发式刺激显示在皮层表达之前存在时间压缩。DCM表明VPL至S1FL的有效连接在中等频率下优先增强。这些发现指出，VPL至S1FL传递中存在频率依赖性瓶颈，而非局部皮层响应性，是持续表达高密度时间感觉输入的约束因素。

## 图解摘要

## 引言

模式化的外周感觉刺激通过体感系统被编码为皮层表征，支持触觉感知、感觉运动控制和适应性行为。这一过程的保真度具有重要的临床意义，因为感觉障碍和感觉运动整合受损是神经退行性疾病的常见特征，包括帕金森病、肌萎缩侧索硬化症、中风以及影响外周或中枢感觉通路的损伤。可控的触觉刺激提供了一种在定义明确的输入条件下测试这些环路的有效方法。在刺激参数中，频率尤其具有信息量，因为它决定了施加于体感通路的时间结构。低频输入可以逐事件表示，而快速重复的输入则需要对密集模式化信号进行整合或滤波。因此，改变刺激频率为研究时间感觉编码和丘脑-皮层传递提供了一个有用的框架。尽管皮层触觉处理已被广泛研究，但从丘脑到皮层的频率依赖性感觉传递限制仍未得到充分界定。

腹侧后外侧丘脑（VPL）至初级体感前肢皮层（S1FL）通路提供了一个可处理的环路，用于研究丘脑到皮层感觉传递中频率依赖性限制如何产生。VPL接收与爪部相关的感觉输入并将其中继至S1FL，在那里丘脑驱动被整合到皮层活动中。电生理学研究表明，这条通路并非简单地被动中继运作。重复的丘脑激活可诱发短期突触抑制，前馈抑制可以限制皮层整合的时间窗口，并且在脑状态依赖性方式下，丘脑中继保真度在高频刺激下可能下降。这些机制提示，丘脑-皮层通信可能强烈依赖于输入频率。然而，这种频率依赖性传递如何在皮层介观尺度的血氧水平依赖（BOLD）反应中表达仍未解决。

大鼠爪部刺激fMRI提供了频率依赖性感觉处理的介观尺度读出，但现有研究主要描述了非单调的皮层频率响应曲线，而非识别其环路起源。S1FL的BOLD反应通常在中等频率（约4–8 Hz）下达到峰值，在更高频率下下降。这一特征提出了一个未解决的环路层面问题：高频感觉驱动是否继续在丘脑中表征但未能产生持续的皮层表达，还是限制出现在更早阶段或皮层内部本身？单独的外周刺激无法区分这些可能性，因为它同时激活了外周传入纤维、丘脑核团和皮层环路。解决这一区分很重要，因为它决定了皮层频率调谐反映的是局部皮层特性、上游丘脑表征的变化，还是丘脑-皮层通信中的瓶颈。因此，需要采用能够将皮层响应性、丘脑响应性和VPL至S1FL有效耦合分开的策略，以便在环路层面解释频率依赖性BOLD反应。

因此，我们假设非单调的皮层频率响应曲线可能反映了VPL至S1FL传递中的频率依赖性约束，而非皮层或丘脑对高频输入缺乏广义内在响应能力。具体而言，高频感觉驱动可能在VPL内局部保持，但未能产生持续的下行皮层BOLD反应。为检验这一假设，我们结合了多频率外周爪部刺激fMRI、环路特异性光遗传学激活、调谐爆发式VPL刺激和动态因果建模，在右美托咪定镇静的雄性大鼠中展开研究。图1总结了整体实验设计。外周刺激首先确定了皮层和丘脑节点在整个前肢体感通路中的频率响应曲线。直接S1FL激活用于确定当下游中继被绕过时皮层能否维持高频BOLD反应，而直接VPL激活用于检验局部丘脑激活是否足以驱动持续的S1FL活动。调谐爆发式VPL刺激用于考察在皮层表达之前，时间密集的丘脑输入是否被保留或重新格式化。最后，动态因果建模用于评估VPL至S1FL的有效连接是否优先在中等频率下增强。通过分离皮层响应性、丘脑响应性和丘脑-皮层耦合，该策略旨在确定皮层频率调谐反映的是局部响应特性还是丘脑-皮层传递中的特定瓶颈。

## 图1 检验频率依赖性VPL至S1FL传递的实验设计

（A）用于界定前肢体感通路中频率响应曲线的外周爪部刺激fMRI方案。双侧爪部刺激以1、4、8、25和55 Hz施加，使用2 mA、300 μs的电脉冲，采用块设计，15秒刺激后休息45秒。（B）叠加在SIGMA大鼠脑模板上的解剖学定义ROI，包括S1FL（初级体感皮层，前肢区）、S2（次级体感皮层）、VPL（腹侧后外侧丘脑核）和Po（丘脑后核）。这些区域用于比较皮层和丘脑的频率响应曲线，并测试感觉驱动在VPL至S1FL传递过程中何处受到约束。坐标指示与前囟的距离。

## 结果

### 外周刺激将皮层调谐与持续丘脑响应性解离

我们首先绘制了双侧爪部刺激在1、4、8、25和55 Hz下的BOLD激活图。代表性激活图显示S1FL、次级体感皮层（S2）、VPL和丘脑后核（Po）存在反应（图2；未校正，p < 0.001）。激活具有空间频率依赖性。皮层反应在S1FL中最强且空间范围最广，特别是在4–8 Hz时，而VPL和Po中的丘脑激活在更高频率下仍保持显著。这一模式提示皮层和丘脑节点可能以不同方式编码刺激频率，与先前的啮齿类动物体感fMRI研究一致。

## 图2 外周刺激揭示了不同频率下可解离的皮层和丘脑激活

来自外周电刺激队列（n = 12只动物）中一只动物在双侧爪部刺激（1、4、8、25和55 Hz）下的代表性BOLD激活图。（A）S1FL激活图。（B）S2激活图。（C）VPL和Po激活图。爪部刺激在皮层和丘脑体感区域均诱发了BOLD激活。皮层激活在S1FL中最显著且空间范围最广，特别是在中等频率下，而VPL和Po中的丘脑激活在更高频率下仍可检测到。激活图叠加在SIGMA大鼠脑模板上，使用未校正阈值p < 0.001显示，色标设为t = 5–35。定量组水平ROI分析见图3。本代表性图未显示统计比较。

图3A–3H展示了不同刺激频率下S1FL、S2、VPL和Po的组平均BOLD时间课程；图3I和3J总结了峰值BOLD信号变化和半峰全宽（FWHM）；图3K和3L展示了达到峰值幅度5%和30%的潜伏期。峰值BOLD幅度显示区域和频率的显著效应以及强烈的区域×频率交互作用（所有p < 0.001；表S1），表明皮层和丘脑区域表现出不同的频率响应曲线。FWHM显示频率的显著效应和区域×频率交互作用，而区域主效应不显著（表S1）。

## 图3 外周刺激显示尽管丘脑高频反应保留但皮层具有中等频率调谐

在双侧爪部刺激（1、4、8、25和55 Hz）下皮层和丘脑体感区域BOLD反应的组水平ROI分析。（A和B）S1FL的组平均BOLD时间课程。（C和D）S2的组平均BOLD时间课程。（E和F）VPL的组平均BOLD时间课程。（G和H）Po的组平均BOLD时间课程。灰色阴影表示15秒刺激期。图A–H中组平均BOLD时间课程以跨动物（n = 12）的均值±标准差（SD）表示。（I）不同刺激频率和ROI的峰值BOLD信号变化。（J）不同刺激频率和ROI的BOLD反应半峰全宽（FWHM）。（K和L）时间响应特征，以达到峰值幅度5%（K）和30%（L）的潜伏期量化。皮层区域在中等频率下显示最大且最持续的反应，而丘脑区域保留高频峰值反应并显示更早的反应起始。

数据来自外周电刺激队列（n = 12只动物；每只动物为一个生物学重复）。峰值BOLD信号变化和30%-至-峰值潜伏期以均值±SD表示；FWHM和5%-至-峰值潜伏期以中位数（四分位距[IQR]）表示。统计分析使用双因素重复测量方差分析，以区域和频率为被试内因素，必要时随后进行ROI内单因素重复测量方差分析。正态分布测量使用Holm校正的配对样本t检验，非正态分布或离散测量使用Holm校正的Wilcoxon符号秩检验。?表示p < 0.05，??表示p < 0.01，???表示p < 0.001。精确统计结果见正文和表S1。另见图S1–S4获取完整十频率基于图谱的ROI曲线。

在S1FL中，峰值反应随频率强烈变化，在4–8 Hz时达到最大值（4 Hz：15.4% ± 6.8%；8 Hz：17.5% ± 4.7%；频率效应，p < 0.001）。55 Hz的反应（8.8% ± 1.3%）大于25 Hz的反应（2.4% ± 3.6%；p = 0.0005），但仍远低于8 Hz的反应。因此，25 Hz代表了S1FL峰值频率曲线的最低点，随后在55 Hz时峰值幅度出现次要增加。重要的是，这种峰值幅度的增加并未伴随4–8 Hz时观察到的持续反应的恢复。FWHM在4–8 Hz时最大，且4 Hz和8 Hz的FWHM显著宽于1、25和55 Hz。因此，中等频率刺激诱发了最强且最持续的S1FL反应。

S2也显示频率依赖性反应，但其曲线与S1FL不同。峰值BOLD反应随频率显著变化（p < 0.001），4、8、25和55 Hz的反应均超过1 Hz。55 Hz的反应虽略有但显著地大于25 Hz的反应（p = 0.021）。尽管4 Hz和8 Hz的峰值反应与55 Hz无显著差异（校正后p均 > 0.05），但4 Hz和8 Hz的FWHM显著宽于1、25和55 Hz，表明4–8 Hz刺激诱发了更持续的皮层激活，尽管峰值幅度相当。

与皮层曲线不同，VPL和Po显示高频主导的峰值模式。在VPL中，峰值幅度随频率显著变化（p < 0.001），在55 Hz时达到最大值（5.4% ± 0.2%，均值 ± SD）。55 Hz产生的反应显著大于1、4和25 Hz，而55 Hz和8 Hz在校正后无显著差异（表S1）。VPL中FWHM在不同刺激频率间无显著变化。

Po显示类似的高频主导模式，在55 Hz时激活最大（7.4% ± 0.2%；频率效应，p < 0.001）。55 Hz的反应超过1 Hz和25 Hz，但与4至8 Hz的差异未通过校正。尽管Po中FWHM显示总体频率效应，但无成对差异通过Holm校正。总之，VPL和Po保留了强烈的高频峰值反应，响应持续时间基本不受频率影响，而S1FL和S2在4–8 Hz时显示显著的时间扩展。

为量化丘脑活动有多少被表达为持续的皮层活动，我们计算了峰值归一化的持续皮层表达指数（SCEI），定义为后期S1FL反应除以峰值VPL反应。SCEI在不同频率间显著变化（Friedman χ2(4) = 40.53，p = 3.36 × 10??），4 Hz（3.26 [2.78–4.20]）和8 Hz（2.22 [2.02–2.71]）时值较高，而25 Hz（0.04 [?0.01–0.13]）或55 Hz（0.25 [0.19–0.33]）时值较低（表S1）。

后期 S1FL/后期 VPL 比率显示出相同的中间频率偏好，但在 55 Hz 时变异性更大，因为某些动物的后期 VPL 反应接近于零。这些结果表明，丘脑活动的持续皮层表达在中间频率时达到最大，而在高频时减少。时间潜伏期分析进一步支持了丘脑皮层上行序列。达到峰值幅度 5% 和 30% 的潜伏期均显示出区域和频率的显著效应以及显著的区域 × 频率交互作用（所有 p ≤ 0.001；图 3K 和 3L；表 S1）。在所有频率下，VPL 始终显示出最早的起始时间。在 1、4、8 和 55 Hz 时，VPL 的 5%-峰值潜伏期显著短于 S1FL（所有 p ≤ 0.027），在 4、8 和 55 Hz 时，30%-峰值潜伏期也呈现出相同的 VPL 领先模式（所有 p ≤ 0.003）。因此，在大多数刺激频率下，丘脑反应先于皮层反应，而皮层和丘脑节点显示出可分离的频率 - 反应特征。

直接皮层激活保留了高频皮层响应性

外周刺激结果表明，皮层和丘脑节点显示出可分离的频率 - 反应特征，但它们并未确定高频皮层衰减是反映局部皮层响应性还是 VPL 到 S1FL 传递减少。为了测试当绕过丘脑皮层中继时，皮层是否能产生持续的频 BOLD 反应，我们直接通过光遗传学激活了 S1FL（S1FL-ChR2 队列，n = 6；图 4A 和 4B）。

图 4 独立的皮层和丘脑激活将局部响应性与 VPL 到 S1FL 的传递分离开来
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(A) 病毒注射位点和光遗传学刺激范式示意图。将 AAV2/9-CaMKIIα-hChR2(H134R)-mCherry-WPRE 注射到左侧 S1FL 或左侧 VPL，并在注射位点上方植入光导纤维。
(B) 在 1、8 和 55 Hz 下直接光遗传学刺激 S1FL 时的代表性激活图和组平均 BOLD 时间过程（10 毫秒光脉冲，光纤尖端 12 毫瓦；15 秒开启，45 秒关闭）。直接 S1FL 激活产生了强健的局部皮层反应，包括持续的频反应。
(C) 在 1、8 和 55 Hz 下直接光遗传学刺激 VPL 时 VPL 中的代表性激活图和组平均局部 BOLD 反应。局部 VPL 反应保持强健，并在高频下增加。
(D) VPL 刺激期间 S1FL 中的组平均下游 BOLD 反应。与保留的局部 VPL 反应相反，高频 VPL 刺激诱发了微弱且以起始为主导的皮层反应。

数据来自独立的 S1FL-ChR2 和 VPL-ChR2 队列（每组 n = 6 只动物；每只动物是一个生物学重复）。峰值 BOLD 反应表示为均值 ± 标准差，并在每个队列内使用单因素重复测量方差分析进行评估，必要时随后进行 Holm 校正的配对样本 t 检验。*表示 p < 0.05，**表示 p < 0.01，***表示 p < 0.001。确切的统计结果，包括效应大小，提供在正文中。灰色阴影表示 15 秒刺激期。激活图色条表示 t 值（范围，5–9），解剖切片坐标表示从前囟的距离。

直接 S1FL 刺激在所有测试频率下诱发了强健的局部 BOLD 反应。在 1、8 和 55 Hz 时，峰值反应分别为 3.87% ± 1.64%、4.47% ± 1.93% 和 3.52% ± 1.64%。刺激频率的整体效应不显著（单因素重复测量方差分析，F(2,10) = 0.48，p = 0.63，ηp2 = 0.09），表明当绕过丘脑皮层突触时，局部皮层 BOLD 反应没有显著的全局频率效应。预设的 8 对 55 Hz 比较显示，55 Hz 的反应比 8 Hz 的反应略小（均值差异 = 0.96%，95% 置信区间 [CI] [0.60, 1.32]，调整后 p = 0.003，dz = 2.77）。至关重要的是，55 Hz 的反应在整个刺激期间保持在时间上持续，这与高频 VPL 刺激期间观察到的以起始为主导的皮层反应形成对比。这些发现表明，当直接激活时，皮层保留了产生持续频 BOLD 反应的能力。

直接丘脑激活揭示了低效的高频丘脑皮层传递

我们接下来询问高频丘脑驱动是否有效地传递到皮层。在另一个队列中，我们通过光遗传学刺激 VPL，并测量了局部 VPL 反应和下游 S1FL 反应（VPL-ChR2 队列，n = 6；图 4C 和 4D）。

局部 VPL 反应随刺激频率增加。在 1、8 和 55 Hz 时，峰值 VPL 反应分别为 0.93% ± 0.24%、1.57% ± 0.10% 和 2.24% ± 0.49%，具有显著频率效应（单因素重复测量方差分析，F(2,10) = 28.59，p < 0.001，ηp2 = 0.85）。Holm 校正的配对比较显示，55 Hz 时的 VPL 反应显著大于 1 和 8 Hz 时的反应（55 对 1 Hz：均值差异 = 1.30%，95% CI [0.94, 1.67]，调整后 p < 0.001，dz = 3.73；55 对 8 Hz：均值差异 = 0.66%，95% CI [0.06, 1.27]，调整后 p = 0.037，dz = 1.15），8 Hz 时的反应大于 1 Hz 时的反应（均值差异 = 0.64%，95% CI [0.34, 0.94]，调整后 p = 0.005，dz = 2.25）。因此，VPL 对高频光遗传学驱动的反应最大。

VPL 刺激期间的下游 S1FL 反应显示出相反的频率依赖性（图 4D）。在 1、8 和 55 Hz 时，S1FL 峰值反应分别为 2.14% ± 1.09%、9.75% ± 4.72% 和 1.96% ± 0.89%，并在刺激频率间显著变化（单因素重复测量方差分析，F(2,10) = 13.86，p = 0.001，ηp2 = 0.73）。Holm 校正的配对比较显示，8 Hz VPL 刺激诱发的下游 S1FL 反应大于 1 Hz 刺激（均值差异 = 7.61%，95% CI [1.64, 13.58]，调整后 p = 0.044，dz = 1.34）或 55 Hz 刺激（均值差异 = 7.78%，95% CI [3.57, 12.00]，调整后 p = 0.015，dz = 1.94）引起的反应，而 1 和 55 Hz 时的反应没有显著差异（调整后 p = 0.811）。

关键的分离发生在 55 Hz：VPL 显示出强健的局部反应，但下游 S1FL 反应微弱且以起始为主导。结合直接 S1FL 结果，这种模式将主要约束放置在保留的局部 VPL 激活下游和持续 S1FL 表达上游。高频丘脑驱动在 VPL 中局部表达，但在 S1FL 中表达低效。

调谐爆发丘脑刺激显示在皮层表达前的时间压缩

为了确定时间密集的丘脑活动如何在下游表达，我们使用了调谐爆发 VPL 刺激范式。在此设计中，50 Hz 脉冲列被嵌入在 1、4 或 8 Hz 的较慢载波周期内（图 5A）。爆发内高频成分保持不变，而载波包络变化，这使我们能够区分局部高频丘脑激活效应与爆发定时效应。

图 5 调谐爆发 VPL 刺激揭示了皮层表达前的时间压缩
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(A) 常规和调谐爆发 VPL 刺激示意图比较。常规刺激以指示频率传递单个 10 毫秒脉冲，而调谐爆发刺激以 1、4 或 8 Hz 的载波频率传递五脉冲 50 Hz 爆发，从而在改变较慢时间包络的同时保留密集的爆发内活动。常规和调谐爆发范式在时间结构和总脉冲密度上均不同，且未设计为脉冲数量匹配。
(B) 调谐爆发 VPL 刺激期间 VPL 中的组平均 BOLD 时间过程。局部 VPL 反应存在于所有载波频率条件下，载波频率对峰值幅度或刺激期平均反应无显著效应。
(C) 在相同调谐爆发刺激条件下 S1FL 中的组平均 BOLD 时间过程。与局部 VPL 反应相反，S1FL 反应由早期瞬态峰值主导，随后在刺激块期间发生大幅衰减。

数据来自 VPL-ChR2 队列（n = 6 只动物；每只动物是一个生物学重复）。使用单因素重复测量方差分析跨载波频率比较峰值和刺激期平均反应。使用带 Holm 校正的配对样本 t 检验跨载波频率条件比较初始峰值反应与后期刺激期反应。确切的统计结果，包括效应大小，提供在正文中。数据表示为均值 ± 标准差。

局部 VPL 反应存在于所有调谐爆发条件下，且在载波频率间无显著差异（图 5B）。在 1、4 和 8 Hz 包络条件下，VPL 峰值幅度分别为 1.36% ± 0.89%、1.50% ± 0.33% 和 2.12% ± 0.80%，载波频率无显著效应（单因素重复测量方差分析，F(2,10) = 1.45，p = 0.281，ηp2 = 0.22）。刺激期间 VPL 平均反应在载波频率间也无显著差异（1 Hz：0.58% ± 0.62%；4 Hz：0.67% ± 0.25%；8 Hz：1.11% ± 0.98%；F(2,10) = 0.76，p = 0.493，ηp2 = 0.13）。因此，局部 VPL 激活在每个载波条件下持续存在，并由爆发内 50 Hz 成分主导，而不是由较慢的载波包络主导。

S1FL 峰值幅度也未显示出显著的载波频率依赖性（图 5C）。在 1、4 和 8 Hz 包络条件下，峰值反应分别为 2.64% ± 1.21%、3.33% ± 1.11% 和 3.47% ± 2.07%（F(2,10) = 1.32，p = 0.309，ηp2 = 0.21）。S1FL 中的刺激期平均反应在载波频率间也无显著差异（1 Hz：1.06% ± 0.75%；4 Hz：1.24% ± 0.50%；8 Hz：1.18% ± 0.87%；F(2,10) = 0.31，p = 0.741，ηp2 = 0.06）。

尽管 S1FL 反应幅度未随载波频率显著变化，但其时间特征与局部 VPL 反应明显不同。在所有调谐爆发条件下，S1FL 反应由早期瞬态峰值主导，随后在刺激块期间发生大幅衰减。Holm 校正后，所有载波频率下的初始皮层峰值均显著大于后期刺激期反应（1 Hz：均值差异 = 1.99%，95% CI [1.14, 2.84]，t(5) = 6.01，调整后 p = 0.005，dz = 2.45；4 Hz：均值差异 = 2.42%，95% CI [1.07, 3.76]，t(5) = 4.62，调整后 p = 0.011，dz = 1.89；8 Hz：均值差异 = 2.78%，95% CI [0.98, 4.59]，t(5) = 3.97，调整后 p = 0.011，dz = 1.62）。我们将这种反应模式称为“时间压缩”，概念上与先前的观察一致，即时间延长或重复的感觉输入可以产生不成比例压缩的反应特征，而不是线性时间总和。

这些数据揭示了丘脑皮层传递的两个可分离特征。在每个载波条件下，密集的 VPL 驱动在皮层中表达为时间压缩、以起始为主导的反应。在载波条件下，在 1–8 Hz 载波范围内，皮层压缩程度无显著差异。值得注意的是，外周刺激期间观察到的 8 Hz 优先皮层增强未被调谐爆发 VPL 刺激重现，尽管 8 Hz 载波每秒传递相同数量的爆发。因此，外周刺激期间的中间频率偏好可能依赖于均匀光遗传学爆发激活 VPL 未能重现的时空输入模式。

有效连接模型汇聚于中间频率 VPL 到 S1FL 的传递

最后，我们使用动态因果模型 (DCM) 来评估在 BOLD 和光遗传学实验中观察到的频率依赖性丘脑皮层分离是否反映在有效连接中。在固有 (A-矩阵) 层面，模型识别出显著的 VPL-S1FL 连接（图 6A），与体感通路的上行组织一致。
，，图 6 有效连接模型支持中间频率增强 VPL 到 S1FL 的传递
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(A) 使用 DCM、参数经验贝叶斯和贝叶斯模型约减估计的 VPL-Po-S1FL-S2 网络内组水平固有连接。固有模型识别出从 VPL 到 S1FL 的显著基线连接。
(B–D) 前爪刺激对网络内有效连接的特异性调制效应。1 Hz 刺激负向调制 Po 到 S1FL 的耦合，8 Hz 刺激选择性增强 VPL 到 S1FL 的有效连接，55 Hz 刺激未对该通路产生显著正向调制。正向和负向调制效应分别显示为红色和蓝色。DCM 分析在执行了用于有效连接建模的电前爪刺激数据集上（n = 12 只动物；每只动物是一个生物学重复）。后验概率 >0.99 的连接被视为显著。

该连接的特异性调制与实验发现平行（图 6B–6D）。1 Hz 刺激负向调制 Po 到 S1FL 的耦合，表明低频时丘脑皮层驱动减少。8 Hz 刺激选择性增强 VPL 到 S1FL 的有效连接（正向调制，后验概率 >0.99）。55 Hz 刺激未产生显著正向调制。这些 DCM 结果提供了收敛的、基于模型证据，表明 VPL 到 S1FL 的有效连接受频率依赖性调制，在中间频率增强最大，在低频和高频增强微弱或缺失。

由于 DCM 是从 BOLD 时间序列估计的，55 Hz 时的零调制效应应谨慎解释。

高频下的BOLD信噪比降低可能会限制检测该频率调节效应的敏感性。因此，我们将DCM结果解读为对血流动力学和光遗传学实验所确定的丘脑皮层中继瓶颈的汇聚性网络层面支持，而非突触效能降低的独立证据。

讨论

如图7所示，我们结合了外周刺激fMRI、通路特异性光遗传学扰动、调谐突触VPL刺激和动态因果建模，以确定频率依赖性感觉驱动如何沿VPL至S1FL通路进行转换。主要发现是，高频感觉驱动可以引发强烈的局部VPL BOLD响应，却无法在S1FL中产生持续的皮质BOLD表达。外周前爪刺激揭示了高频丘脑响应得以保持的同时，皮质呈现出中间频率调谐特征（图7A）。直接S1FL激活表明，当绕过上游中继时，皮质可以产生持续的高频BOLD响应（图7B），而直接VPL激活则产生了强烈的局部丘脑响应，但下游皮质响应微弱且以起始为主（图7C）。结合调谐突触和有效连接的结果（图7D），这些发现支持了一种频率依赖性的丘脑皮层传递瓶颈，该瓶颈限制了时间密集性感觉输入的持续皮质表达。

图7 所提出的频率依赖性丘脑皮层传递模型的示意图总结

(A) 外周前爪刺激显示，S1FL在中间频率（4–8 Hz）时具有最大的持续响应，而VPL在更高频率时仍保持稳健的响应。(B) 对S1FL的直接光遗传学刺激保留了持续的高频皮质响应能力，表明局部皮质响应性并非皮质频率调谐的主要限制因素。(C) 对VPL的直接光遗传学刺激产生了稳健的局部高频丘脑响应，但下游S1FL响应微弱且以起始为主，支持了VPL至S1FL传递中存在频率依赖性约束。(D) 调谐突触VPL刺激揭示了时间压缩的皮质响应，而动态因果建模（DCM）则提供了中间频率下VPL至S1FL有效连接优先性的互补网络层面证据。(E) 所提出丘脑皮层传递模型的集成示意图。4–8 Hz时有利于持续的皮质表达，而高频刺激（25–55 Hz）则产生以起始为主的响应，其持续成分减弱，尽管局部VPL响应能力得以保持。

频率依赖性VPL至S1FL传递塑造皮质调谐

皮质对高频感觉刺激的减弱响应可能源自上行通路的多个层级。一种可能是皮质本身由于局部突触适应、反复抑制、代谢限制或非线性神经血管响应而无法维持高频激活。我们的直接S1FL刺激实验反驳了这一解释作为观察到的皮质频率调谐的主要驱动因素。当直接激活S1FL时，高频刺激仍能引发持续的局部BOLD响应。因此，本实验确定了在宏观通路层面上持续高频驱动开始受限的位置，但并未确立导致该限制的具体细胞过程。

互补性的VPL刺激实验将主要约束置于保持的局部丘脑激活的下游。直接VPL激活产生了随刺激频率增加而增强的稳健局部响应，但下游S1FL响应在55 Hz时微弱且以起始为主。这种解离表明，保持的丘脑激活并不足以确保持续的皮质表达。数据指向的不是丘脑或皮质的单独失效，而是VPL活动向持续S1FL活动传递过程中的频率依赖性约束。局部皮质和神经血管因素可能仍然影响所测BOLD响应的幅度和时间特征，但它们不能完全解释为什么高频丘脑驱动在下游表达不佳。

这一解释与丘脑在皮质表达之前主动转换感觉信息的更广泛观点相符。最近的工作表明，振动触觉频率信息沿上行体感通路重新格式化，包括在VPL层面从相位锁定的时间编码到基于频率的编码的转换。我们的结果通过识别保留的丘脑激活被转换为频率依赖性皮质表达的下游传递步骤，扩展了这一框架。在中间频率时，丘脑驱动有效地表达为持续的皮质BOLD活动。在高频时，丘脑激活主要表达为短暂的皮质起始响应。这些观察结果支持了一种多阶段观点，即触觉频率信息在丘脑皮层传递之前和期间被逐步重新格式化。

高频丘脑驱动在皮质表达前被时间压缩

调谐突触实验进一步阐明了时间密集的丘脑活动如何在下游表达。通过在较慢的载体周期中嵌入50 Hz脉冲串，该范式将局部密集的丘脑激活与刺激的较慢时间包络分离开来。在载体条件下，局部VPL响应均存在，而S1FL响应始终由早期瞬态反应随后衰减所主导。因此，时间压缩并非简单地继承自外周输入，而是出现在密集VPL激活向皮质BOLD活动转换的过程中。

在密集调谐突触刺激期间S1FL响应的更强减弱提出了一个可能性，即时间密集的丘脑输入在VPL至S1FL传递过程中经历了额外的突触和回路层面过滤。此前的电生理研究表明，重复性感觉刺激可以在皮质中产生比在体感丘脑中更强的适应，丘脑皮层突触输入的活动依赖性抑制对此额外的皮质减弱有所贡献。丘脑皮层输入还动态地激活皮质的前馈抑制性回路，该回路调节皮质响应的时间整合窗口，而单个丘脑皮层突触的短期可塑性可根据最近的刺激历史发生显著变化。这些观察结果提供了一个合理的框架，即保持的局部丘脑活动通过丘脑皮层突触动力学和皮质微回路处理被转换后才表达为持续的皮质响应。这种转换还可能依赖于脑状态，后者调节丘脑兴奋性和时间模式化感觉输入的传递。考虑到麻醉方案可以改变功能连接，且右美托咪定可以影响体感皮质的神经和血管响应，观察到的响应也应在右美托咪定镇静的背景下进行解读。

重要的是，该框架并不意味着VPL和S1FL中以相同方式运作相同的细胞机制。尽管此处使用了相同的CaMKIIα基光遗传策略来优先激活两个区域中的投射/兴奋性神经元群体，但丘脑中继神经元和皮质投射神经元占据不同的突触和回路环境。由于对S1FL投射神经元的直接CaMKIIα基激活维持了高频BOLD响应，该约束不太可能反映所靶向皮质投射神经元内在无法跟随高频驱动；相反，我们的数据更倾向于支持输入通过丘脑皮层突触到达时所参与的过程，例如短期突触抑制和丘脑招募的前馈抑制。因此，未来的研究应将功能类似的投射神经元群体在VPL和S1FL中的匹配记录或扰动与对区域特异性回路元件的靶向检查相结合，尤其是皮质抑制性群体。在分子层面，对重复刺激期间受体介导的兴奋和抑制进行靶向药理学或遗传学操作，可以检验丘脑皮层突触效能或抑制性招募的变化是否改变了VPL至S1FL传递的频率依赖性。此类实验将需要确定丘脑皮层短期突触可塑性、皮质兴奋性-抑制性回路动力学和阶段特异性神经元特性对所观察到的频率依赖性传递约束的相对贡献。神经血管非线性也可能对测量的BOLD响应有所贡献。

S1FL和S2的高频响应差异提示，高频感觉驱动也可能通过平行的皮质和丘脑皮层通路进行分布。在外周刺激期间，S2比S1FL保留了更强的高频响应。这种区域解离可能反映了丘脑输入的差异，包括后丘脑核团的贡献，或来自S1FL的汇聚性皮质-皮质输入。区分这些可能性将需要通路特异性扰动实验，分别靶向VPL至S1FL传递、后丘脑投射和皮质-皮质通讯。

对触觉编码和感觉诱发fMRI的启示

本研究结果对触觉频率信息如何在皮质中表征具有启示意义。持续的**高频输入不一定**以等效持续时间的持续响应表达于皮质中。相反，皮质活动可能优先强调刺激起始、转换或感觉驱动的变化，同时减弱冗余的稳态输入。这一解释与触觉编码框架一致，即频率信息在外周、丘脑和皮质阶段被转换。在此视角下，VPL可能保持或重新格式化时间密集的感觉驱动，而S1FL表达的是有效地通过丘脑皮层通路传递的丘脑活动子集。

这些结果还完善了感觉诱发BOLD fMRI的解读。高频刺激时皮质BOLD响应的减弱不一定表明局部皮质组织无法产生血流动力学响应。它可能反映的是从丘脑到皮质的通路层面传递效能降低。此处观察到的解离——保持的局部VPL激活但微弱的持续S1FL表达——表明局部激活和下游皮质表达可以相互分离。因此，刺激频率应不仅被视为控制输入密度的参数，还应被视为探测上行感觉通路传递特性的变量。与此更广泛的原则一致，听觉fMRI研究表明BOLD响应对时间调制率和刺激带宽敏感。

DCM结果为这一解读提供了互补的网络层面支持。VPL至S1FL的有效连接在8 Hz时增强，与刺激实验推断的中间频率传递最优点吻合。尽管DCM无法提供突触效能的直接证据，但它仍提供了支持VPL至S1FL传递的频率依赖性调节的互补网络层面证据。55 Hz时较弱的S1FL BOLD响应可能会限制DCM在该频率检测调节效应的敏感性。

感觉和感觉运动异常见于多种神经系统疾病，包括帕金森病、肌萎缩侧索硬化症和卒中。我们的发现表明，感觉诱发的皮质响应降低不应简单地被解释为局部皮质响应受损的证据。它提出了这样一种可能性：在某些情况下，异常的皮质响应可能反映的是上游丘脑皮层通路传递的改变，而非纯粹的局部皮质缺陷。因此，频率依赖性刺激可能提供一种有用的系统层面探针，用于区分局部皮质响应性和通路层面传递功能障碍。

研究局限性

本研究有几个局限性。首先，研究结果将频率依赖性约束定位于宏观BOLD层面，但未确定产生该约束的细胞机制。观察到的时间压缩可能涉及短期丘脑皮层突触抑制、前馈抑制、状态依赖性中继动力学、神经血管非线性或这些过程之间的相互作用。电生理、钙成像或细胞类型特异性扰动将是确定持续丘脑激活如何被转换为以起始为主的皮质响应所必需的。

其次，所有实验均在右美托咪定镇静下进行。该方案可以保持稳健的感觉诱发血流动力学响应，并为fMRI测量提供稳定的生理条件。虽然脑状态可能影响诱发响应的定量表达，但外周电刺激激活的是经典的行体感通路。未来的清醒fMRI或电生理与fMRI结合实验对于确定相同的频率依赖性传递瓶颈是否在主动触觉加工期间发挥作用具有重要意义。

第三，扰动实验聚焦于VPL至S1FL通路。这一设计使我们能够区分局部丘脑响应性、局部皮质响应性和VPL至S1FL传递，但未完全解决平行体感通路的贡献。Po、S2以及皮质-皮质相互作用可能对S1FL以外观察到的保持的高频响应有所贡献。需要对Po至皮质和S1FL至S2投射进行通路特异性扰动，以确定高频感觉驱动如何在更广泛的体感网络中分布。

第四，本研究未包含行为测量、清醒触觉感知实验或人类心理物理学。所提出的时间压缩与触觉频率编码之间的关系应被解释为一种机制假设，而非感知的直接证据。这些局限性并不改变核心结论——高频感觉驱动的持续皮质表达在丘脑皮层传递过程中受到约束——但它们确定了该结论应被解读的层次。

最后，仅研究了成年雄性大鼠。因此，性别对频率依赖性丘脑皮层传递表型的影响未得到评估，这些发现向雌性动物的外推性仍有待确定。

资源可用性

主要联系人

进一步信息和资源的请求应发送至主要负责人左振涛（[e-mail]）。

材料可用性

本研究未产生新的独特试剂。关于病毒载体、光遗传学刺激参数和MRI采集协议的更多信息可在合理请求后从主要负责人处获取。

数据和代码可用性

• 处理后的ROI时间序列和图形源数据可在Zenodo获取：https://doi.org/10.5281/zenodo.21068601。原始MRI数据可在合理请求后从主要负责人处获取，须遵守机构数据共享政策。
• 自定义统计分析脚本可在Zenodo获取：https://doi.org/10.5281/zenodo.21068371。
• 支持本研究发现的刺激时序文件和DCM模型规格可在Zenodo获取：https://zenodo.org/records/23252869。

Upon reasonable request, additional information can be obtained from the corresponding author.

致谢

感谢孙雨溪和岳翰林在 MRI 实验期间提供的技术协助与支持。本工作得到中国科学技术部（2023YFF0714204 和 2022ZD0211901）以及中国科学院（2021091、YSBR-068 和 2024GZL003）的资助。

作者贡献

概念化：Z.Y. 和 Z.Z.；方法论：Z.Y. 和 Z.Z.；调查研究：Z.Y. 和 H.W.；形式分析：Z.Y.、H.W. 和 Z.Z.；数据解释：Z.Y.、Y.Z. 和 Z.Z.；撰写——初稿：Z.Y.；撰写——审阅与编辑：H.W.、Y.Z. 和 Z.Z.；监督：Z.Z.；经费获取：Z.Z.。所有作者均已审阅并批准最终手稿。

利益声明

作者声明不存在利益冲突。

STAR★方法

主要资源表

试剂或资源 | 来源 | 标识符

细菌与病毒菌株：AAV2/9-CaMKIIα-hChR2(H134R)-mCherry-WPRE | BrainVTA，中国武汉 | N/A

化学品、肽和重组蛋白：
- 右美托咪定（Dexdomitor） | Orion Pharma | CAS: 113775–47–6
- 异氟烷 | RWD Life Science，中国深圳 | CAS: 26675–46–7
- 美洛昔康 | N/A（标准术后镇痛药） | N/A
- 牙科水门汀（Super Bond C&B） | Sun Medical Co., Ltd，日本 | N/A

已存放数据：
- 处理后 ROI 时间序列和图形源数据 | 本文 | Zenodo: https://doi.org/10.5281/zenodo.21068601
- 自定义统计分析脚本 | 本文 | Zenodo: https://doi.org/10.5281/zenodo.21068371
- 刺激时序文件和 DCM 模型规格说明 | 本文 | Zenodo: https://zenodo.org/records/23252869
- 原始 MRI 数据 | 本文 | 在合理请求下可向通讯作者获取

实验模型：有机体/菌株

大鼠：成年雄性 Wistar，8–10 周龄，302 ± 26 g | Charles River，中国 | RRID: RGD_13508588

软件和算法：
- SPM12 | Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL | https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/; RRID: SCR_007037
- RABIES v0.4.2 | Desrosiers-Grégoire et al. | https://github.com/CoBrALab/RABIES; RRID: SCR_023722
- NORDIC PCA 降噪 | Moeller et al. | https://github.com/SteenMoeller/NORDIC
- ANTs（高级归一化工具） | Avants et al. | https://github.com/ANTsX/ANTs; RRID: SCR_004757
- SIGMA 大鼠脑模板和图谱 | Barrière et al. | https://www.nature.com/articles/s41467-019-13575–7; RRID: SCR_025878
- SPSS | IBM Corp., Armonk, NY, USA | RRID: SCR_002865

其他：
- 11.7-T Bruker MRI 扫描仪（BioSpec 117/16 USR） | Bruker，德国卡尔斯鲁厄 | N/A
- 四元素表面阵列线圈 | Bruker，德国卡尔斯鲁厄 | N/A
- ISO-FLEX 刺激隔离器 | AMPI，以色列耶路撒冷 | N/A
- Arduino UNO 触发系统 | Arduino S.r.l., 意大利都灵 | N/A
- 473-nm 二极管泵浦固体激光器（MGL-F-473 nm） | CNI Laser，中国长春 | N/A
- 光纤（200 μm 芯径，NA 0.37） | Inper，中国杭州 | N/A
- 30 号针形电极 | N/A（标准皮下电极） | N/A
- 立体定位框架 | N/A（标准啮齿动物立体定位仪） | N/A
- 水循环加热台 | Bruker，德国卡尔斯鲁厄 | N/A

实验模型与研究参与者细节

动物

本研究中的动物实验已获军事医学科学院动物管理与使用委员会批准（IACUC-DWZX-2021–678）。本动物 fMRI 研究未进行前瞻性方案注册。

共使用 24 只成年雄性 Wistar 大鼠（Charles River，中国；8–10 周龄；302 ± 26 g）。其中 12 只用于外周电刺激前爪 fMRI 实验。光遗传学实验中使用 6 只大鼠在左侧初级体感皮层前肢区域（S1FL）进行病毒转导，6 只大鼠在左侧腹后外侧丘脑核（VPL）进行病毒转导。调谐脉冲刺激实验在 VPL-ChR2 队列中进行。

大鼠在独立通风笼中饲养，温度控制在 22°C，12 小时光照/黑暗周期，自由摄食饮水。每只动物视为一个独立生物学重复。样本量基于先前使用类似组内重复测量设计的大鼠感觉和光遗传学 fMRI 研究以及 3R 原则确定,,,,,,；未进行正式的 a priori 样本量计算。

主要结局指标为解剖学约束 ROI 内的峰值 BOLD 信号变化；次要结局指标包括半峰全宽（FWHM）、起始和上升潜伏期、平均和晚期刺激期反应，以及 DCM 推导的有效连接。

纳入标准：生理参数保持稳定，图像配准和运动质控可接受，光遗传学实验中大鼠病毒表达和光纤位置在预期目标区域内。这些标准在统计分析之前确立。未排除任何动物、fMRI 运行或数据点。刺激频率以随机顺序呈现。实验者在手术和采集过程中知道手术目标，而预处理和 ROI 提取遵循标准化图谱定位流程。

方法细节

麻醉与生理监测

MRI 采集前，大鼠用 3% 异氟烷麻醉并放置于 MRI 支架上。随后通过肌肉注射右美托咪定（0.017 mg/kg）将镇静过渡到该药物，同时异氟烷在 10 分钟内逐渐减量后停用。经 30 分钟稳定期后，以 0.025 mg/kg/h 的速度持续肌肉注射右美托咪定。选择该方案是因为右美托咪定能保留啮齿动物体感系统稳健的感觉诱发的血流动力学反应，同时最大限度减少运动和生理不稳定,,,,。

通过水循环加热台维持体温在 37.0°C–37.5°C。持续监测呼吸和心率，用耳杆和咬杆固定头部。

病毒转导与光纤植入

光遗传学实验中，大鼠用异氟烷麻醉并放置于立体定位框架中。为优先驱动目标区域的兴奋性/主神经元，将 AAV2/9-CaMKIIα-hChR2(H134R)-mCherry-WPRE（BrainVTA，中国武汉）注射至 S1FL 或 VPL。

病毒通过玻璃微吸管以 25 nL/min 的速度递送。总注射体积 600 nL，分别注入左侧 S1FL（相对于前囟骨 0–0.2 mm 后方，中线旁 3.5 mm，硬膜下 2.0 mm）或左侧 VPL（前囟骨后 2.8–3.6 mm，中线旁 3.8 mm，硬膜下 6.0 mm）。注射后，吸管留置至少 10 分钟以最大限度减少回流。

光纤（芯径 200 μm，数值孔径 0.37）植入注射位点上方约 0.05 mm 处，并用牙科水门汀固定。动物恢复至少 3 周后进行 fMRI。大鼠分为 S1FL-ChR2 或 VPL-ChR2 组；每只动物仅在一个目标区域接受病毒注射。

术后，大鼠接受美洛昔康镇痛，并每日监测体重、伤口情况、活动能力、摄食行为和痛苦迹象。安乐死终点包括持续体重下降、活动能力受损、伤口感染或严重痛苦。未发生意外不良事件。

fMRI 实验结束时，所有动物均通过组织学验证了 mCherry 表达和光纤尖端位置。仅纳入具有目标区域可见表达且光纤位置正确的动物进行分析。

外周电刺激前爪

电刺激以五个代表性频率（1、4、8、25 和 55 Hz）给予，涵盖离散低频事件、皮层 BOLD 反应通常达到峰值的中频范围,,,, 以及经典感知融合边界,,,,。

刺激通过插入两只前爪足底皮肤的两个 30 号针形电极给予。电极由 ISO-FLEX 刺激隔离器（AMPI，以色列耶路撒冷）驱动，并通过基于 Arduino 的触发系统（Arduino S.r.l., 意大利都灵）与 MRI 扫描仪同步。刺激强度和脉宽固定为 2 mA 和 300 μs。每次 fMRI 运行包括六个刺激块，每块刺激 15 秒后休息 45 秒（图 1A）。

DCM 实验使用单独的方案，在单次实验中以前爪受到 1、8 和 55 Hz 刺激。每个频率条件重复两次，共产生六个块。该方案应用于电刺激队列的全部 12 只动物。

S1FL 和 VPL 的光遗传学刺激

为区分局部皮层反应性与 VPL 到 S1FL 的传递，使用光遗传学独立激活 S1FL 和 VPL。直接 S1FL 激活绕过了丘脑皮层突触，而直接 VPL 激活则参与丘脑皮层通路。光遗传学实验旨在检验因果对比，而非重新映射整个外周频率响应曲线。因此选择了代表性的低频（1 Hz）、中频（8 Hz）和高频（55 Hz）条件。

光刺激通过植入的光纤使用 473-nm 二极管泵浦固体激光器（CNI Laser，中国长春）给予，遵循已建立的光遗传学 fMRI 规范,,。光纤尖端激光功率调节为 12 mW。以 10 ms 脉宽的方形光脉冲串以 1、8 或 55 Hz 频率给予。块设计与外周刺激相同，刺激 15 秒后休息 45 秒，重复六次。

调谐脉冲 VPL 刺激

为确定时间密集的丘脑激活是被转化为持续的皮层表达，还是被压缩为以起始为主导的反应，在 VPL-ChR2 队列中应用了调谐脉冲刺激方案。

每个脉冲串由五次光脉冲组成（10 ms 脉宽，10 ms 脉冲间隔，100 ms 脉冲持续时间），以 1、4 或 8 Hz 的载波频率给予。由于脉冲内脉冲频率保持在 50 Hz，载波频率依赖性的皮层反应差异可被解释为与时间包络相关，而非脉冲内脉冲密度的变化。

MRI 采集

MRI 数据在中国科学院生物物理研究所使用 11.7-T Bruker 扫描仪（Bruker，德国卡尔斯鲁厄）和四元素表面阵列线圈采集。

解剖图像使用 T2-TurboRARE 序列采集：视野（FOV）= 35 × 20 mm2；回波时间（TE）/重复时间（TR）= 30/5700 ms；层厚 = 0.5 mm，矩阵大小 = 256 × 220。功能图像使用梯度回波 EPI 序列采集：层数 = 34；FOV = 30 × 18 mm2；TE/TR = 15/1000 ms；翻转角（FA）= 55°；层厚 = 0.5 mm，矩阵大小 = 100 × 60。每次 fMRI 运行包括 370 个体积。

预处理与一级 GLM 分析

功能图像使用 NORDIC 流程降噪，并在 SPM12 中手动重新定位。预处理使用 RABIES（v0.4.2）进行，包括使用 ANTs 进行 N4 偏置场校正和刚体运动校正。功能图像随后非线性配准到 SIGMA 大鼠脑模板，重采样至 0.15-mm 各向同性分辨率，并使用 0.3-mm FWHM 高斯核进行空间平滑。一级分析在 SPM12 中使用一般线性模型（GLM）进行。

ROI 定义与 BOLD 时间序列分析

使用 SIGMA 图谱对 ROI 进行解剖学约束（图 1B）。在每个图谱定义的区域内，一个小球体（半径 0.5 mm）以所有刺激频率在组水平上的激活峰值为中心，约束在解剖学 ROI 内。由于组水平峰值是从用于时间序列提取的相同数据中推导的，该程序可能会适度膨胀报告的效应量；因此使用纯解剖学 ROI 定义（图谱区域质心而不进行峰值选择）进行了敏感性分析，并确认所有关键区域具有相同定性的频率调节模式（图 S1–S4）。

百分比信号变化相对于刺激前 10 秒基线计算。对于每个刺激频率，峰值 BOLD 信号变化（%）定义为刺激诱发反应窗口期间的最大百分比信号变化。FWHM 计算为反应在超过半最大振幅时的时间宽度。由于 TR = 1 s 的采样间隔，FWHM 值为离散值，在所有分析中均按此处理。

外周刺激 ROI 分析基于电刺激队列（n = 12）。光遗传学 ROI 分析基于 S1FL-ChR2 或 VPL-ChR2 队列（每组 n = 6）。BOLD 时间序列在各动物内跨运行取平均值。

晚期反应定义为 15 秒刺激期最后 5 秒的平均百分比信号变化。为量化外周刺激期间丘脑活动对下游皮层表达的持续贡献，我们计算了峰值归一化持续皮层表达指数（SCEI），即每只动物在每个频率下的晚期 S1FL 反应除以峰值 VPL 反应。晚期 S1FL/晚期 VPL 比值作为敏感性指标进行了考察。

使用以 Region 和 Frequency 为被试内因素的双因素重复测量方差分析评估区域间频率响应曲线的差异。当检测到显著的 Region × Frequency 交互作用时，使用单因素重复测量方差分析检查每个 ROI 内的频率效应。对于光遗传学队列（n = 6），使用配对样本 t 检验进行两两比较。当 Shapiro-Wilk 检验表明偏离正态性时，验证结果对参数检验和非参数检验选择的稳健性。所有统计决策遵循"量化与统计分析"中所述的框架。

对于光遗传学实验，ROI 分析以刺激目标或下游皮层区域为中心。对于 S1FL-ChR2 队列，比较不同 1、8 和 55 Hz 刺激下的局部 S1FL 反应。对于 VPL-ChR2 队列，分别分析局部 VPL 反应和下游 S1FL 反应。块平均 BOLD 反应的时间特征通过比较初始峰值与晚期刺激期反应来量化。对于直接 S1FL 刺激，8 vs 55 Hz 的比较被视为预设的组内比较，因为它直接检验了在绕过上行中继时皮层是否保留了高频反应性。

对于调谐脉冲刺激，对 VPL 和 S1FL 量化了峰值反应和 15 秒刺激期间的平均反应。初始反应峰值定义为刺激期间最大 BOLD 反应，晚期刺激期反应定义为刺激最后 5 秒的平均信号。

为评估皮层反应是否由早期瞬时成分主导，将初始反应峰值与刺激后期的反应进行了比较。

**时间动态特征表征**

为表征时间反应轮廓，对分块平均的BOLD时间序列曲线使用双伽马函数进行拟合：

f(t) = a·(t/(p×q))^p·e^(?t/q) ? b·(t/(r×s))^r·e^(?t/s)

其中t为时间变量，a、b、p、q、r和s为双伽马函数的参数。所有拟合曲线均归一化至其峰值幅度，并计算达到峰值5%和30%所需的时间延迟，分别作为反应起始和早期上升的指标。

**动态因果建模（DCM）**

有效连通性使用SPM12中实现的fMRI DCM进行估计。纳入了四个感兴趣体素（VOIs）：VPL、Po、S1FL和S2（次级体感皮层），解剖定位由SIGMA图谱引导。对于每个VOI，从以群体水平激活峰值为中心、半径0.5毫米的球体内提取BOLD时间序列的第一本征变量。

对每位受试者指定一个全连接双线性DCM。所有区域之间的固有连接在A矩阵中建模。电刺激作为驱动输入在C矩阵中进入VPL。刺激频率（1、8和55 Hz）作为调制输入在B矩阵中对所有连接进行建模。全连接模型作为父模型，在群体水平使用贝叶斯模型缩减剪除不必要的参数。群体水平效应使用参数经验贝叶斯（PEB）、贝叶斯模型缩减（BMR）和群体水平贝叶斯模型选择进行评估。

**定量与统计分析**

基于感兴趣区（ROI）的分析和频率主义统计检验在SPSS（IBM Corp., Armonk, NY, USA）中完成。

所有连续结局变量的正态性在每一个区域×频率单元格水平上，使用Shapiro-Wilk检验进行评估。符合正态分布的指标以均值±标准差表示，使用参数检验分析；偏离正态分布或本质上为离散的指标（FWHM）以中位数[IQR]表示，使用非参数等效检验（配对比较使用Wilcoxon符号秩检验）进行分析。

对于重复测量方差分析（ANOVA），使用Mauchly检验评估球形性，当违反球形性时应用Greenhouse–Geisser校正。效应量以偏eta平方（ηp2）表示ANOVA效应，配对比较以Cohen's dz（含95%置信区间；参数检验）或秩双列相关系数（rrb；非参数检验）表示。

对于超过两个条件的非参数单因素重复测量比较（SCEI分析），使用Friedman检验，随后使用Holm校正的Wilcoxon符号秩检验进行事后比较。对于双因素重复测量设计不存在广泛接受的非参数等效检验；因此，对参数和离散指标均使用双因素重复测量ANOVA作为全局检验，事后比较则按各指标适用的方案进行。

统计显著性水平设为p < 0.05（双尾）。在每个假设检验族内使用Holm递减程序进行多重比较校正，其中"族"定义为在给定ROI×实验组合中，显著的全局ANOVA之后进行的所有事后配对比较（例如，在周围刺激实验中S1FL峰值幅度的五个频率之间的六次成对比较）。这种按实验进行的校正控制每次比较集内的族错误率，但不控制论文中所有测试的假发现率。在图中，统计显著性用星号表示：?p < 0.05，??p < 0.01，???p < 0.001。当星号表示事后两两比较时，这些阈值指的是经Holm校正的双尾p值。各标注对应的具体统计检验在相关图例中描述。

对于DCM分析，后验概率>0.99的连接被认为显著，对应于一种贝叶斯阈值，该阈值提供强证据且无需额外的频率主义校正。

**补充信息**
（1）PDF（422.16 KB）
文档S1。图S1–S4和表S1