《Cell Reports》：Role of the pulvinar in early visual cortical signaling in the macaque
编辑推荐：
丘脑枕核（pulvinar）是与新皮层（neocortex）广泛互联的丘脑结构，其功能至今仍知之甚少。从枕核到皮层的广泛投射可能将共同信号广播到多个皮层区域；另一种假说认为，连接皮层与枕核的环路可能用于在皮层区域之间中继活动，补充经由直接皮层-皮层回路进行的跨
丘脑枕核（pulvinar）是与新皮层（neocortex）广泛互联的丘脑结构，其功能至今仍知之甚少。从枕核到皮层的广泛投射可能将共同信号广播到多个皮层区域；另一种假说认为，连接皮层与枕核的环路可能用于在皮层区域之间中继活动，补充经由直接皮层-皮层回路进行的跨区信号传递。研究人员在麻醉猕猴的两个皮层区域——V1和V2——以及丘脑枕核中同步测量神经元群体尖峰反应，对上述信号传递模式进行了检验。研究结果表明，皮层-枕核相互作用与皮层-皮层相互作用涉及不同的群体尖峰活动模式，与中继假说（relay hypothesis）一致。这些结构之间的信号传递偏向于前馈方向（feedforward direction）：V1活动领先于枕核活动，而枕核活动又领先于V2活动。该工作提示，丘脑枕核的一个主要功能是将信号从较低级皮层区域传递到较高级皮层区域。
研究背景与问题
丘脑枕核是丘脑中的一个大型高阶核团，在灵长类中尤为发达。与外侧膝状体（LGN）等一级核团不同，枕核并非主要接收来自感觉外周的直接驱动输入，而是从新皮层以及上丘等皮层下结构获得大部分输入，并向这些来源发出往返连接。关于枕核的功能，长期存在两种主要假说：一是“广播者”假说，认为枕核向多个皮层区域发送共同输入，以协调或调节其活动；二是“中继”假说，认为皮层-枕核-皮层环路在皮层区域之间中继信号，补充直接皮层-皮层连接所传递的跨区信号。既往研究对这两种假说均有间接支持，但缺乏直接的群体水平证据。为此，研究人员在麻醉猕猴的V1、V2和枕核中同步记录神经元群体尖峰活动，以检验枕核在跨区信号传递中究竟扮演广播者还是中继者的角色。
研究内容与总体结论
研究人员在5只成年雄性食蟹猴（Macaca fascicularis）中，同时记录了V1、V2和枕核的神经元群体反应，分析皮层-皮层与皮层-枕核之间的功能连接、通讯子空间（communication subspace）结构以及尖峰时序关系。结果发现，皮层与枕核之间的相互作用通过低维通讯子空间进行，但皮层-皮层共享的群体活动模式与皮层-枕核共享的模式明显不同，不支持枕核向多个皮层区域广播共同信号的假说。交叉相关分析进一步显示，V1活动领先于枕核活动，枕核活动又领先于V2活动，提示信号沿前馈方向经皮层-枕核-皮层环路中继。该研究为枕核参与早期视觉皮层信号的前馈传递提供了直接证据，并展示了群体活动模式分析在检验多脑区相互作用假说中的价值。
主要关键技术方法
研究人员采用Neuropixels探针同时采集V1和V2各层活动，并用四电极（tetrode）记录枕核下外侧亚核的群体活动；通过漂移光栅刺激测量功能连接与调谐特性。数据分析采用岭回归（ridge regression）量化群体间的功能连接，降秩回归（reduced rank regression, RRR）识别通讯子空间及其维度，因子分析（factor analysis）估计群体活动维度，移位预测校正的交叉相关图（cross-correlogram, CCG）评估尖峰相对时序。样本来源为5只成年雄性食蟹猴，共获得18个数据集，其中11个用于群体功能连接分析。
主要结果
枕核反应特性
研究人员首先测量了枕核神经元对光栅朝向、空间频率和时间频率的调谐。约69%的枕核单元对漂移光栅有显著视觉反应，反应起始潜伏期与V1、V2相近；平均朝向选择性指数为0.29，方向选择性指数为0.19，空间频率和时间频率偏好也与V1、V2相似。这些结果提示枕核与早期视觉皮层之间存在紧密的功能耦合。
基于群体的功能连接测量
利用V1或V2群体活动预测枕核活动的多元回归模型显示，皮层-枕核功能连接显著弱于皮层-皮层功能连接。在匹配目标神经元放电率后，V1-枕核模型性能约为V1-V2模型的35%，V2-枕核模型性能约为V2-V1模型的20%。同时记录的V1、V2与海马活动对照分析显示，皮层活动无法解释海马波动，排除脑广泛非特异性活动造成该结果的解释。
皮层与枕核相互作用经由通讯子空间
降秩回归分析显示，V1-枕核和V2-枕核相互作用的映射维度平均分别为1.5和1.4，显著低于V1、V2或枕核自身群体活动的维度，说明皮层与枕核的相互作用仅涉及每个区域群体活动模式的一个子集，即通过通讯子空间进行。相比之下，V1-V2和V2-V1的映射维度分别为3.0和2.9，皮层-枕核通讯子空间的维度低于皮层-皮层通讯子空间。
检验V1、V2与枕核之间的信号传递模式
研究人员通过合成数据模拟了广播、独立中继和混合三种信号传递模式，证明利用通讯子空间的相似性可以区分这些模式。随后将同一方法应用于真实神经数据，发现V1-V2通讯子空间中的活动不能有效预测枕核反应，V1-枕核通讯子空间中的活动也不能有效预测V2反应；V2来源的分析得到类似结果。对照分析表明，这种子空间特异性并非由于子空间无法推广到不同靶神经元群体所致。因此，皮层间共享的活动模式与皮层-枕核间共享的活动模式彼此不同。
尖峰时序关系
V1-V2、V1-枕核和V2-枕核的交叉相关图峰值幅度均随感受野对齐程度变化。在感受野对齐的神经元对中，V1-枕核CCG呈正不对称性，表明V1活动领先枕核；V2-枕核CCG呈负不对称性，表明枕核活动领先V2；V1-V2 CCG同样显示V1领先V2。均值匹配分析排除了耦合强度差异对时序不对称性的影响。该结果支持信号经枕核沿前馈方向从V1传递至V2。
总结与讨论
研究结果表明，枕核并未向V1和V2广播共同信号，而是作为皮层间信号传递的中继结构，传递与直接皮层-皮层通路不同的群体活动模式。解剖上，V1对枕核的第五层驱动输入多于V2，而枕核向V2中层的投射具有驱动特征，与观察到的前馈方向一致。研究存在局限性：记录在舒芬太尼麻醉下进行，但海马对照、不同麻醉深度分析以及清醒动物中通讯子空间的既往观察均支持结果的可靠性。此外，该研究未评估相互作用的动态变化，也未确定经皮层-皮层与皮层-枕核通路传递的具体视觉信息内容。研究人员指出，下外侧枕核可能主要参与视觉信号中继，而背侧枕核等其他亚核团可能在注意调节中发挥不同作用。
研究结论
本研究证明，皮层与枕核之间以及皮层区域之间的相互作用均通过通讯子空间进行，但皮层-枕核与皮层-皮层所共享的群体活动模式彼此不同，不支持枕核向多个皮层区域广播共同信号的假说；尖峰时序分析显示V1活动领先枕核、枕核领先V2，支持丘脑枕核作为前馈中继通路，将信号从低级皮层区域传递至高级皮层区域。该研究还展示了群体活动模式分析可用于检验多脑区相互作用的假说。
