丘脑皮层爆发式放电编码奖励依存关系并驱动联想学习

《Nature Communications》：Thalamocortical bursts encode reward contingencies and drive associative learning

　　

学习过程需要神经回路发生适应性变化，但神经元如何在其活动模式中编码学习内容以构建记忆仍然知之甚少。通过在自由活动的雄性小鼠执行感觉辨别任务期间进行纵向多位点记录，研究人员发现，在皮层（cortex）、丘脑和丘脑外区域中出现了爆发式编码神经元。BCNs通过爆发的有或无来编码任务规则，并且随着学习的推进，其比例逐渐增加。解码分析表明，BCNs是丘脑皮层系统中规则信息的主要载体。BCN的爆发率随刺激效价而定，当依存关系退化时爆发率会崩溃，并在多次规则反转后发生反转，这表明爆发在追踪学习期间的联想上下文时具有动态性。确实，药理学和局灶性遗传学对丘脑皮层爆发的抑制干扰了学习和任务表现，确立了神经元爆发作为联想学习的上下文敏感驱动因素。这些发现揭示了丘脑皮层系统中用于刺激-结果联想的基于爆发的神经编码，并提供了将细胞放电动力学与奖励依存关系学习联系起来的因果证据。

学习依赖于神经回路中的可塑性变化，但体内神经元放电模式如何通过指示在何时何地存储信息来引发这些变化，目前尚不清楚。突触可塑性对放电频率和时间具有高度敏感性，这表明体内特定的放电基序可能指示突触增强或减弱以存储新信息。在神经元放电基序中，高频动作电位爆发作为刻板的、类似音节的快速放电序列嵌入在持续活动中，备受瞩目，这引发了爆发可能作为专门的细胞学习信号的可能性。此前，丘脑皮层爆发在功能上通常被理解为感觉处理、感知或大脑状态的中介，其与学习的关系尚未被探究。尽管先前的模拟和数学分析支持爆发可能作为学习信号来指导突触可塑性的观点，但一直缺乏将丘脑皮层爆发与行为学习联系起来的直接实验证据。因此，研究人员开展了一项创新研究，旨在填补这一空白。该研究发现并确立了基于放电爆发的神经编码机制在联想学习中的核心作用，揭示了BCNs是驱动联想学习的关键，并将细胞放电动力学与奖励依存关系学习在因果关系上联系起来。这项重要工作发表在《Nature Communications》上。

研究人员使用了包括纵向多位点微电极记录、高通量视频动作追踪分析、神经解码分析、基于shRNA的局灶性遗传学干预以及全身系统性药理学干预等关键技术方法。样本队列来源于在感觉辨别范式中进行测试的雄性C57BL/6NRj小鼠。通过这些方法，研究人员在处于自由活动状态的小鼠中同时记录了躯体感觉丘脑皮层通路中四个关键脑区的神经元单位活动，并实施了针对T型钙通道的干预以验证因果关系。

孔径辨别学习期间小鼠处于不同任务规则中
研究人员设计了一种触须依赖的 go/no-go 操作式辨别任务，要求处于食物限制状态的小鼠将不同宽度的孔径与奖励或惩罚关联起来。小鼠在经过约7天训练后达到了专家水平的辨别表现，且移除触须或麻醉触须垫会彻底废除任务表现，从而验证了该范式的触须依赖性。同时引入了中性孔径、规则反转以及通过随机化结果导致依存关系退化等多个训练阶段。这为后续探究大脑如何编码刺激-结果关联以驱动学习提供了基础。

爆发式编码神经元通过爆发的有无来编码孔径宽度
研究人员在桶皮层（BC）、丘脑腹后内侧核（VPM）、丘脑后内侧核（POm）和丘脑网状带腹侧（ZIv）记录了神经元活动。基于波形分析，研究人员区分了规律放电和快速放电单位，并将后续分析主要限于RS单位。研究发现，随着学习推进，编码触须触碰反应的神经元比例显著升高。通过量化分析，研究人员根据放电特征划分出爆发式编码神经元、紧张性编码神经元以及非编码神经元。BCNs通过爆发式放电的有无来选择性编码孔径宽度，并且在各记录脑区的编码单元中占比最大。通过蒙特卡洛统计比较发现，BCNs的数量远超预期，这证实了基于爆发的编码无法仅用放电率来解释。在时间分辨层面，宽孔径在BCNs中引发的爆发放电率始终高于窄孔径，但这种现象在依存关系退化阶段会消失。

爆发式编码神经元在多次规则反转后通过反转物理刺激的爆发编码来追踪刺激-结果关联
研究人员探究了BCNs是编码物理属性还是上下文结果参数。在规则反转阶段，BCNs并没有保留初始的爆发编码，而是反转了其对物理刺激的爆发编码。在恢复初始规则的阶段，这些神经元再次反转回了初始的编码方式。这表明BCNs的爆发编码主要由刺激与结果的关联决定，而非物理特征，它们能够通过动态反转编码来跨规则追踪奖励有关的刺激。对爆发偏倚和紧张偏倚的分析进一步表明，BCNs比TCNs经历了更为显著的编码反转，并在退化阶段表现出趋于平衡的群体分布。

爆发编码随刺激效价而变化并预测舔舐行为
在引入了既无奖励也无惩罚的中性孔径阶段后，研究人员发现中性孔径引发的爆发放电率精确处于奖励和惩罚孔径之间，这就表明了爆发放电会随刺激效价而变化。逻辑回归拟合显示，爆发偏倚能够高精度提示小鼠的舔舐决策概率，这证实了放电爆发与行为结果之间的紧密联系。

爆发编码随学习涌现并伴随任务的表现变化
研究人员对BCNs的出现进行了追踪观察，发现BCNs在BC等区域中的比例随着学习进程逐渐增加。在规则反转后，这一比例出现下降，主要是由于编码宽孔径的BCNs向编码窄孔径的BCNs发生转移。BCNs的比例与任务表现出很强的正相关性。此外，群体平均爆发偏倚也同样随着学习不断演化，并在规则反转时表现出相应的偏倚反转。这些在四个记录脑区中观察到的结果共同证实了爆发编码是伴随学习进程同步涌现的。

爆发式编码神经元在提示孔径状态方面优于其他触觉调制单元
研究人员通过训练分类器来预测被采样的孔径，解码分析表明，仅使用BCNs的输入效果远胜于其他触觉相关调制单元。达到80%解码准确率所需的神经元数量在BCN组中显著低于包含或不包含BCNs的其他组，表明BCNs在预测感觉信息和试验结果方面具有卓越的预测能力。

丘脑爆发抑制会损害学习与任务执行
为了测试丘脑爆发的直接因果作用，研究人员通过病毒载体在VPM和POm核团中表达针对Cacna1g的shRNA构建体，特异性敲低了引发丘脑爆发的T型钙通道CaV3.1。同时辅以对T型通道阻滞剂Z944的系统性药理学干预验证。结果表明，无论是遗传学的CaV3.1敲低，还是Z944的全身给药，都显著抑制了丘脑的爆发式放电，并导致小鼠需要更多的试验次数才能达到专家表现水平。Neuropixels探针的慢性电生理检测也表明，这些干预措施不仅降低了爆发分数，还消除了对照组中奖励条件下爆发概率增加的上下文敏感性。

讨论与结论总结
研究人员在单细胞水平上识别出分布在皮层、丘脑和丘脑外区域的BCNs是学习的核心机制，它们编码并跨规则追踪刺激上下文。由于BCNs活动可以独立于紧张性放电变化而存在，常规的泊松放电模型无法充分捕捉其特征。抑制T型Ca²⁺通道从而阻断丘脑爆发会破坏联想学习的事实，提供了将细胞放电动力学与联想记忆耦合的确凿因果证据。这些研究表明，放电爆发并非仅仅介导感觉处理，而可能充当一种价值加权的感官增益信号，用以标记那些已获得生物学意义的刺激，并偏向下游表示。最终，研究人员得出结论，丘脑皮层爆发编码的是习得的刺激-结果依存关系，而非简单的信号传递，从而确立了放电爆发作为联想学习机制的普遍神经编码规律。