我們眼睛看到的世界，明明是連續(xù)、清晰、有方向的畫面，可大腦最開始接收到的視覺信號，其實只是零散、簡單的光點。我們之所以能立刻分辨出物體是往左動、往右動、是線條還是輪廓，靠的是大腦里一套精密的視覺環(huán)路。

早在幾十年前，科學家就提出了經(jīng)典理論：外界視覺信號先經(jīng)過丘腦傳遞到大腦初級視覺皮層，再通過特定的空間排列，讓神經(jīng)元對某個方向產(chǎn)生優(yōu)先反應(yīng)。但這個過程究竟是怎么在細胞和突觸上實現(xiàn)的，一直缺少直接、清晰的實驗證據(jù)。

基于此，2026年3月26日，慕尼黑工業(yè)大學Arthur Konnerth研究團隊在Science雜志發(fā)表了“Thalamic activation of the visual cortex at the single-synapse level”揭示了單突觸水平上的丘腦對視覺皮層的激活。

作者研究了哺乳動物初級視覺皮層（V1）中方向選擇性形成的丘腦-皮層神經(jīng)計算機制。他們利用雙光子谷氨酸成像和光遺傳學皮層沉默技術(shù)對小鼠V1 第 4 層神經(jīng)元的丘腦-皮層突觸進行了鑒定與分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接收丘腦輸入的樹突棘沒有突觸后鈣離子信號，而接收皮層間輸入的樹突棘則不存在這一特點。該研究直接揭示了對皮層信息處理和可塑性至關(guān)重要的特殊突觸性質(zhì)。

圖一 針對方向調(diào)諧L4神經(jīng)元突觸輸入的雙光子Ca2+成像

作者設(shè)計了一套多步驟實驗方法，在活體小鼠中研究初級視皮層V1第4層方向調(diào)諧錐體神經(jīng)元上由視覺刺激激活的突觸輸入：先利用鈣指示劑Cal?520對該腦區(qū)進行群體鈣成像，篩選出對特定方向漂移光柵敏感的方向調(diào)諧錐體神經(jīng)元，再通過質(zhì)粒轉(zhuǎn)染使其稀疏表達jGCaMP7b，實現(xiàn)單個神經(jīng)元及其樹突棘的高信噪比標記，隨后用雙光子鈣成像記錄單突觸活動；

結(jié)果顯示，標記神經(jīng)元的胞體、樹突與樹突棘均能產(chǎn)生穩(wěn)定的鈣熒光信號，方向調(diào)諧特性可保持至少一個月，視覺刺激可在樹突棘上誘發(fā)明顯的鈣瞬變，且每個輸入都對應(yīng)特定的視覺方向，在所有記錄樣本中均呈現(xiàn)一致的方向偏好性；這些第4層樹突棘輸入大多具有高度方向選擇性，方向選擇性指數(shù)中值為0.56，與第2/3層神經(jīng)元的皮層間輸入類似，同時未觀察到典型背外側(cè)膝狀體神經(jīng)元帶來的廣譜響應(yīng)鈣信號，僅少量低選擇性輸入與兔子中方向選擇性的背外側(cè)膝狀體神經(jīng)元特征相近。

圖二 皮層與丘腦輸入的不同響應(yīng)

為驗證假設(shè)，研究者用雙光子谷氨酸成像結(jié)合皮層沉默技術(shù)，在單個突觸水平區(qū)分了兩種輸入：一類是皮層輸入，方向選擇性強，抑制皮層后信號消失；另一類是丘腦輸入，方向不敏感，不受皮層抑制影響。

他們進一步在同一神經(jīng)元上同時記錄谷氨酸和鈣信號，發(fā)現(xiàn)皮層輸入能引發(fā)明顯鈣反應(yīng)，而丘腦輸入幾乎不產(chǎn)生鈣信號，這也解釋了之前只做鈣成像時為何沒觀察到丘腦輸入。

圖三 丘腦感受野的空間排列特征

Hubel 和 Wiesel 前饋模型認為，背外側(cè)膝狀體的感受野排列，能讓優(yōu)勢方向刺激幾乎同時激活丘腦神經(jīng)元，但連接到同一個方向調(diào)諧第 4 層神經(jīng)元的所有背外側(cè)膝狀體神經(jīng)元，其感受野是如何排列的。

作者用改進的谷氨酸傳感器做單突觸記錄，結(jié)合漂移條刺激和參數(shù)擬合，精確算出了單個丘腦皮層輸入的感受野位置（這種方法不受感受野結(jié)構(gòu)、視覺反應(yīng)線性度影響）。

實驗發(fā)現(xiàn)，所有丘腦輸入的感受野中心都集中在視野的一小塊區(qū)域；開、關(guān)中心位置大多分開，形成獨立且沿某一優(yōu)先軸拉長的區(qū)域，拉長程度比之前觀察到的更明顯。

進一步分析顯示，沿神經(jīng)元優(yōu)先方向，開、關(guān)感受野的投影更集中，重疊率約 20%；沿正交方向投影更分散，重疊率超 80%，且所有測試神經(jīng)元的感受野對齊角度，和其優(yōu)先方向幾乎一致，符合前饋模型預測。

總結(jié)

本研究在單突觸水平解析丘腦對視覺皮層的激活機制，為Hubel?Wiesel經(jīng)典前饋模型提供了直接實驗證據(jù)，明確了視覺信息從丘腦到皮層的精確輸入排布與感受野空間結(jié)構(gòu)，深化了對視覺方向選擇性起源的認識，為解析皮層環(huán)路、視覺信息編碼與神經(jīng)計算提供了重要實驗基礎(chǔ)。

文章來源：

DOI: 10.1126/science.aec9923

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