编码感官历史偏差的丘脑皮层回路

《SCIENCE》：A thalamocortical circuit encoding deviations from sensory history

　　

编辑总结

过去的经验能够为未来的决策提供指导。Leow等人研究了小鼠中负责基于经验做出决策的大脑回路。通过行为测试、光遗传学操控、钙成像以及计算技术，该研究指出，丘脑外侧后核到前扣带皮层的通路会利用先前试验的信息来引导适应性决策。干扰这一通路会破坏利用过往经验来指导决策的能力。此外，钙成像实验表明，LP-ACC轴突会在低维空间中表示刺激，每个刺激都以曲面流形上的一个点来表示，该点同时编码了刺激的方向和难度。这项研究凸显了丘脑在高级认知中的作用。——Mattia Maroso

结构化摘要

引言

先前的经验能够强烈影响当前的感知和行为。但近期经验究竟如何改变大脑对当前感官输入的处理机制，目前尚不清楚。已知丘脑的高阶外侧后核参与选择性视觉处理，而前扣带皮层则负责评估证据并指导行为，因此LP-ACC通路很可能是将近期经验与当前决策联系起来的关键路径。

研究依据

我们让小鼠完成随机点运动辨别任务，借此可以量化当前与之前运动证据之间的差异（∣ΔDir∣），并研究当前感官输入是如何相对于近期感官历史被评估的。我们通过光遗传学刺激来探究，干扰LP-ACC的输入是否足以根据∣?Dir∣的值影响证据向选择的转化方式。随后，我们利用双光子成像技术观察LP-ACC轴突所传递信息的结构，以确定近期感官历史是否改变了当前运动证据的整体表征方式。这些方法让我们能够测试LP-ACC通路在比较当前与近期感官证据时的具体计算功能，并构建出一个理论框架，将这种计算过程与当前证据的权重分配以及决策更新的时间联系起来。

结果

小鼠在完成任务时的选择会随着运动证据之间的差异（∣ΔDir∣）而变化，这说明它们会对连续的刺激进行逐步比较，而非简单地按照顺序做出选择。对LP-ACC轴突进行光遗传学激活后，小鼠的选择会向受刺激的一侧倾斜，且倾斜程度与∣?Dir∣成正比，这表明该通路会影响对当前感官证据的渐进式、基于历史的评估，而非仅仅引发运动选择偏差。

双光子成像结果显示，LP-ACC轴突会将当前的视觉证据转化为一种由任务调控的低维群体表征，其中刺激证据沿着一条曲线轨迹排列。这种表征同时编码了刺激的方向和一致性，且当∣ΔDir∣增大时，这种表征的维度也会增加，使得当前证据与近期历史差异越大时，不同刺激之间的区分度就越高。这为LP-ACC轴突能够根据近期感官历史来编码当前刺激提供了证据。LP-ACC轴突在连续刺激之间采用了对比编码方式，只有当当前刺激与其之前的刺激存在极大差异，且能提供强烈支持其偏好方向的证据时，才会出现最强的反应。我们的成像结果还表明，与ACC神经元不同，LP-ACC轴突是以刺激而非选择为中心来编码信息的。

为了解释以刺激为基准的LP信号为何会导致光遗传学诱导的选择偏差，我们构建了一个模型，通过模拟干扰来说明LP传递给ACC的∣?Dir∣信号如何影响当前证据的权重、决策更新的概率以及选择的方向。

结论

我们的研究结果表明，LP-ACC是一条丘脑皮质通路，它能够实现基于历史的对比性计算，通过强调与近期感官历史的差异来推动决策的更新。更广泛地说，我们的研究结果凸显了高阶丘脑可以通过将近期经验融入到当前的感官表征中，从而为行为决策提供支持，进而参与到认知计算过程中。

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LP-ACC会根据近期历史来编码当前的感官证据。

在二选一的随机点方向辨别任务中，LP会向ACC传递反映当前与之前刺激之间证据差异（∣ΔDir∣）的信息，通过基于历史的曲面神经流形扩展来强调这种差异。∣ΔDir∣越大，流形表征的维度就越高，从而促使决策更新。这些信息会影响ACC中的决策判断，最终导致与∣ΔDir∣相关的心理测量行为。StimL为左侧刺激；StimR为右侧刺激；P(ChooseR)为选择右侧的概率。

摘要

先前的预期能够引导注意力，并在决策过程中帮助实现感知过滤。在完成视觉辨别任务的小鼠中，它们的选择取决于连续刺激之间的差异（|ΔDir|）。我们推测，丘脑外侧后核向前额叶区域（如此前已被证实与选择性注意和预测处理相关的前扣带皮层）发出的投射，能够帮助对当前感官证据进行基于历史的评估。在这项研究中，我们发现，对LP-ACC轴突进行光遗传学操控会破坏对当前感官证据的基于历史的评估，从而导致与|ΔDir|相关的选择偏差。双光子成像显示，LP-ACC轴突会将刺激表示在一条由任务决定的低维曲线流形上，且该流形的几何结构会随|ΔDir|的变化而改变，从而强调与近期证据较大的差异。这些研究结果表明，LP-ACC是一条丘脑皮质通路，它在决策过程中能够以基于历史的对比方式对感官证据进行表征。