PsyBrain 腦心前沿 | 公眾號 PSY-Brain_Frontier

一鍵關(guān)注，點亮星標 ??

不錯過每日前沿資訊

認知神經(jīng)科學前沿文獻分享

基本信息：

Title:An adaptive and flexible role for primary sensory cortex

發(fā)表時間：2025.11.27

Journal:Nature neuroscience

影響因子：20.0

獲取原文：

1. 添加小助手:PSY-Brain-Frontier即可獲取PDF版本

研究動機與背景

經(jīng)典神經(jīng)科學觀點將感覺感知視為從外周經(jīng)丘腦至初級皮層（如S1）的單向?qū)蛹壡梆佭^程，認為初級皮層僅負責形成靜態(tài)表征；然而，近期嚙齒類研究揭示了初級皮層隨學習、環(huán)境或損傷而改變的靈活性，有力挑戰(zhàn)了這一假說。面對既往靈長類電生理研究（顯示S1不編碼決策）與現(xiàn)代嚙齒類成像研究（顯示S1高度相關(guān)決策）之間的顯著分歧，本文旨在通過解析這種矛盾，深入探討初級感覺皮層究竟是被動的感官中繼站，還是一個能整合環(huán)境背景、通過自上而下的反饋調(diào)節(jié)來支持適應性行為的靈活中樞。

Fig. 1 | Basic principles of sensory processing from periphery to thalamus to cortex.

作者觀點

本文屬于觀點（Perspective）文章，旨在系統(tǒng)回顧并綜合不同層面的實驗證據(jù)來構(gòu)建新理論。作者在文中提出了一個核心假設：初級感覺皮層功能的轉(zhuǎn)變反映了一個反饋過程（即自上而下的影響）。來自高階皮層區(qū)域的信號重塑了感覺皮層的活動，以整合基于情境（Context）和經(jīng)驗（Experience）的信息。這種整合反過來調(diào)節(jié)了隨后的前饋信號，使行為能夠與不斷變化的任務需求保持一致。

為證明假設的可靠性，首先，作者從充分性（Sufficiency）的角度出發(fā)，對比分析了靈長類單細胞電生理記錄與嚙齒類雙光子成像在“感覺-行為轉(zhuǎn)換”任務中的不同結(jié)果，以此探討技術(shù)手段和物種差異如何影響對S1功能的解讀。接著，從必要性（Necessity）的角度出發(fā)，梳理了光遺傳抑制、藥理學失活及皮層損傷（Lesion）研究，揭示了S1在簡單檢測任務中可被補償（如通過POm-S2通路），但在復雜辨別和適應性任務中不可或缺的現(xiàn)象。最后，作者結(jié)合反轉(zhuǎn)學習（Reversal learning）和預測編碼（Predictive coding）理論，論證了自上而下的反饋信號（如來自眶額皮層OFC）如何重塑S1的活動，從而支持其提出的“雙向、分布式、適應性”的感覺處理新框架。

核心論點

觀點1：S1在決策中的“充分性”存在物種與方法學的分歧

Fig 2展示了靈長類和嚙齒類在執(zhí)行觸覺檢測任務時的神經(jīng)活動差異。在猴子的電生理記錄中，S1活動與決策結(jié)果（擊中與失誤）無顯著差異（Fig 2e），表現(xiàn)為純粹的感覺編碼 。而在小鼠的雙光子成像中，S1（來自于S2的軸突投射）表現(xiàn)出明顯的決策相關(guān)活動（Fig 2f）。這表明S1在特定條件下（如嚙齒類模型或特定成像深度）包含了受反饋調(diào)節(jié)的行為信號 。

Fig. 2 | Neural representation of stimulus and behavioral responses studied with two distinct approaches.

觀點2：S1的“必要性”取決于任務復雜度與情境

Fig 3總結(jié)了S1損傷對不同任務的影響。對于簡單的檢測任務（Fig 3a），S1損傷僅導致短暫的行為受損，隨后動物通過補償機制（可能涉及丘腦POm核團到S2的通路）迅速恢復 。然而，對于復雜的辨別任務（Fig 3b）或需要根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律調(diào)整策略的適應性行為（Fig 3c），S1的完整性是必須的，損傷會導致永久性缺陷 。這說明S1在處理復雜認知需求時不可被替代。

Fig. 3 | Evaluating behavioral performance in S1-lesioned mice.

觀點3：經(jīng)驗與學習通過反饋重塑S1的功能

Fig 4展示了S1如何隨經(jīng)驗發(fā)生可塑性變化。在反轉(zhuǎn)學習任務中（Fig 4a, b），來自眶額皮層（OFC）的反饋信號幫助S1重新映射對紋理的編碼 。在長期的適應性訓練中（Fig 4d），S1的神經(jīng)活動逐漸演變，從單純的刺激表征轉(zhuǎn)變?yōu)榘m應性決策信號，且這種轉(zhuǎn)變依賴于訓練經(jīng)驗的積累 。

Fig. 4 | Adaptive sensing and decision-making.

觀點4：構(gòu)建“雙向分布式”的動態(tài)處理模型

Fig 5綜合提出了一個新的概念框架。在基線狀態(tài)下，S1可能主要處理前饋信息；但在S1受損時，替代通路（如丘腦-S2）可維持基本功能（Fig 5c）。在學習和適應環(huán)境變化時（Fig 5e），系統(tǒng)從前饋主導轉(zhuǎn)向雙向互動，高階區(qū)域（如S2, OFC）的反饋信號增強，使S1能夠處理預測誤差并支持靈活行為 。

Fig. 5 | Possible adaptive roles of S1 across behavioral conditions.

省流總結(jié)

本文針對初級感覺皮層（如S1）僅作為靜態(tài)特征提取器的傳統(tǒng)觀點，通過綜合對比跨物種的行為學、電生理及成像研究證據(jù)，提出了一種“雙向分布式”的動態(tài)處理模型 。研究指出，S1并非單純的被動中繼，而是一個具備高度適應性的靈活中樞，其功能不僅依據(jù)任務復雜度在“可被補償”與“不可或缺”之間切換，更受到學習經(jīng)驗及自上而下反饋信號（如來自眶額皮層）的動態(tài)重塑，從而在復雜多變的環(huán)境中通過預測編碼機制支持適應性行為

AI 銳評

這篇文章展現(xiàn)了極佳的理論整合力，不僅巧妙調(diào)和了靈長類與嚙齒類研究在皮層功能歸屬上的長期分歧，還引入預測編碼理論構(gòu)建了層層遞進的動態(tài)功能圖景，為理解感覺皮層的可塑性提供了極具啟發(fā)性的新框架。盡管其對S1損傷后的具體皮層下補償通路（如POm-S2）的推斷仍缺乏決定性的阻斷證據(jù)，且將嚙齒類胡須系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)直接外推至靈長類復雜感知時存在一定風險，但整體上依然是一篇邏輯嚴密、通過整合多維度證據(jù)成功挑戰(zhàn)傳統(tǒng)教科書觀點的佳作。

請打分

這篇剛剛登上Nature neuroscience的研究，是否實至名歸？我們邀請您作為“云審稿人”，一同品鑒。精讀全文后，歡迎在匿名投票中打分，并在評論區(qū)分享您的深度見解。

前沿交流|歡迎加入認知神經(jīng)科學前沿交流群！

核心圖表、方法細節(jié)、統(tǒng)計結(jié)果與討論見原文及其拓展數(shù)據(jù)。

分享人：天天

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部