我們的大腦前額葉負(fù)責(zé)做決定、控制情緒和集中注意力，但它怎么被其他腦區(qū)“調(diào)音”的還不清楚。屏狀核是深藏在大腦里的一小塊區(qū)域，一直很神秘。

基于此，2025年11月28日，英國牛津大學(xué)生理學(xué)Adam M. Packer研究團(tuán)隊在Nature communications雜志發(fā)表了“The claustrum enhances neural variability by modulating the responsiveness of the prefrontal cortex”揭示了屏狀核通過調(diào)節(jié)前額葉皮層的反應(yīng)性來增強(qiáng)神經(jīng)變異性。

作者利用雙光子鈣成像，在小鼠觀看視覺刺激時同步激活投射到背側(cè)前額葉皮層（dPFC）的屏狀核軸突，觀察dPFC神經(jīng)元的反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)三類神經(jīng)元：只對視覺刺激響應(yīng)的、只對光遺傳激活響應(yīng)的，以及兩者結(jié)合時反應(yīng)更強(qiáng)的“增強(qiáng)型”細(xì)胞。研究顯示，屏狀核激活一方面增加了單個神經(jīng)元反應(yīng)的波動性，另一方面卻讓不同神經(jīng)元的平均反應(yīng)更趨一致，提升了網(wǎng)絡(luò)整體的同步性。在學(xué)習(xí)過程中，這種高變異性持續(xù)存在，而同步性進(jìn)一步增強(qiáng)，說明調(diào)控會隨經(jīng)驗(yàn)“微調(diào)”。當(dāng)抑制屏狀核活動時，這種平衡被打破，表明屏狀核以雙向方式維持dPFC中“個體差異”與“群體協(xié)調(diào)”之間的動態(tài)平衡。該研究揭示了屏狀核在靈活調(diào)控前額葉功能中的關(guān)鍵作用。

圖一 屏狀核軸突的光遺傳刺激可調(diào)節(jié)dPFC神經(jīng)元的反應(yīng)

作者利用光遺傳學(xué)結(jié)合雙光子鈣成像，在小鼠觀看視覺圖像的同時，精準(zhǔn)激活投射到dPFC的屏狀核軸突并記錄dPFC中CaMKII陽性神經(jīng)元的活動。實(shí)驗(yàn)包括三種條件：單獨(dú)視覺刺激、單獨(dú)光刺激以及兩者聯(lián)合，每種重復(fù)30次。為避免光刺激干擾視覺系統(tǒng)，研究人員加裝遮光裝置確認(rèn)未激活視網(wǎng)膜。

在近5萬個記錄神經(jīng)元中，約一半對至少一種刺激有反應(yīng)。其中21%主要響應(yīng)視覺（感覺型），29%主要響應(yīng)光刺激（光響應(yīng)型），14%只在視覺+光聯(lián)合時才被激活（光增強(qiáng)型）。值得注意的是，光刺激常引發(fā)抑制性反應(yīng)，尤其在純光響應(yīng)神經(jīng)元中，抑制遠(yuǎn)多于興奮；而感覺型和光增強(qiáng)型神經(jīng)元則興奮與抑制大致平衡。

結(jié)果表明，屏狀核輸入并非簡單“開/關(guān)”信號，而是以高度選擇性和情境依賴的方式調(diào)控dPFC：既能增強(qiáng)特定神經(jīng)元對感覺信息的響應(yīng)，也能通過抑制機(jī)制精細(xì)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)活動。這種雙向調(diào)制有助于在保持神經(jīng)反應(yīng)多樣性的同時促進(jìn)功能整合凸顯屏狀核在前額葉信息處理中的關(guān)鍵協(xié)調(diào)作用。

圖二 屏狀核軸突的調(diào)控增強(qiáng)了dPFC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元交叉相關(guān)性

作者發(fā)現(xiàn)，屏狀核光刺激不僅影響明顯響應(yīng)的神經(jīng)元，還在所有動物和原本沉默的神經(jīng)元中普遍增加了反應(yīng)變異性，說明其調(diào)控作用廣泛而深入。

進(jìn)一步分析顯示，屏狀核的調(diào)控高度依賴神經(jīng)元的基線狀態(tài)：對視覺刺激反應(yīng)越強(qiáng)的神經(jīng)元，越容易被光刺激抑制；而被視覺抑制的神經(jīng)元則更可能被光刺激激活。這一規(guī)律在感覺型、光響應(yīng)型和光增強(qiáng)型三類神經(jīng)元中均存在，甚至在抑制性神經(jīng)元中也成立，表明是一種跨細(xì)胞類型的通用機(jī)制。

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相比之下，激活丘腦輸入并未產(chǎn)生類似效應(yīng)，說明這種調(diào)控是屏狀核特有的，并非所有皮層下通路共有。

通過表征相似性分析（RSA）發(fā)現(xiàn)：僅視覺刺激時dPFC神經(jīng)元活動呈現(xiàn)清晰聚類，反映功能分化；但加入屏狀核刺激后，聚類消失，神經(jīng)表征變得均勻。同時，局部神經(jīng)元間的活動同步性顯著增強(qiáng)，尤其在響應(yīng)神經(jīng)元中更明顯。

有趣的是，雖然單個神經(jīng)元的試次間反應(yīng)變得更不穩(wěn)定（變異性上升），但整體網(wǎng)絡(luò)卻更協(xié)調(diào)（同步性提高）。這說明屏狀核能同時提升個體靈活性與群體一致性，可能有助于dPFC在復(fù)雜任務(wù)中動態(tài)整合信息、優(yōu)化決策。

圖三 訓(xùn)練增強(qiáng)了屏狀核調(diào)控所誘導(dǎo)的神經(jīng)同質(zhì)性

為探究屏狀核調(diào)控如何受學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)影響，作者對小鼠進(jìn)行了經(jīng)典條件反射訓(xùn)練：80%的視覺刺激后給予水獎勵。7只小鼠在10天內(nèi)學(xué)會預(yù)期舔水，表明已將視覺線索與獎勵關(guān)聯(lián)。隨后，在無任務(wù)、被動呈現(xiàn)該熟悉視覺刺激的條件下重復(fù)之前的光遺傳記錄實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果顯示，訓(xùn)練后仍可識別出相同比例的三類神經(jīng)元：感覺響應(yīng)型（22%）、光增強(qiáng)型（30%）和光響應(yīng)型（12%）。但與未訓(xùn)練小鼠不同，訓(xùn)練后光響應(yīng)型神經(jīng)元中興奮與抑制反應(yīng)不再顯著偏向抑制，提示經(jīng)驗(yàn)改變了局部回路的平衡。

三類神經(jīng)元在訓(xùn)練后表現(xiàn)出一致趨勢：感覺響應(yīng)型：反應(yīng)幅度下降，個體差異增大；光增強(qiáng)型：反應(yīng)更強(qiáng)，變異性更高；光響應(yīng)型：平均反應(yīng)幅度不變，但波動性增加。

盡管單個神經(jīng)元的反應(yīng)變異性在訓(xùn)練前后保持穩(wěn)定，表明屏狀核調(diào)控具有穩(wěn)健性，但整體網(wǎng)絡(luò)同步性顯著提升。訓(xùn)練后神經(jīng)元之間的活動相關(guān)性更高，尤其在有響應(yīng)的細(xì)胞中更明顯。雙因素分析證實(shí)，訓(xùn)練效果依賴于神經(jīng)元是否具有響應(yīng)性。

綜上，學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)并未改變屏狀核調(diào)控的基本機(jī)制，卻增強(qiáng)了其對dPFC網(wǎng)絡(luò)的整合效應(yīng)，使神經(jīng)活動在保持個體靈活性的同時更加協(xié)同，凸顯屏狀核在經(jīng)驗(yàn)依賴性前額葉功能優(yōu)化中的關(guān)鍵作用。

圖四 屏狀核雙向調(diào)控前額葉神經(jīng)變異性與同步性

為深入理解屏狀核的作用，作者在未訓(xùn)練和已訓(xùn)練小鼠中進(jìn)行了抑制實(shí)驗(yàn)：用光敏蛋白eOPN3抑制投射到dPFC的屏狀核軸突活動。

結(jié)果顯示，抑制屏狀核后約53%的dPFC神經(jīng)元仍對刺激有反應(yīng)，亞群比例與激活實(shí)驗(yàn)相似（感覺型20%、光響應(yīng)型30%、光增強(qiáng)型11%）。但與激活不同的是，在未訓(xùn)練動物中，抑制常引發(fā)更強(qiáng)的抑制性反應(yīng)，尤其在光增強(qiáng)型神經(jīng)元中。

盡管單個神經(jīng)元的反應(yīng)幅度、變異性等動態(tài)特征在激活與抑制條件下總體相似，抑制屏狀核卻顯著更強(qiáng)地提升了神經(jīng)元之間的同步性，其交叉相關(guān)性增幅高于激活組。分析進(jìn)一步表明，這種效應(yīng)受“是否訓(xùn)練”和“是否為響應(yīng)神經(jīng)元”共同影響。

有趣的是，無論小鼠是否經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練，抑制實(shí)驗(yàn)中的神經(jīng)動態(tài)變化并無明顯差異，說明屏狀核的調(diào)控機(jī)制相對穩(wěn)定。

綜上，屏狀核能雙向調(diào)節(jié)dPFC：激活時增強(qiáng)神經(jīng)靈活性抑制時則更強(qiáng)烈地促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)同步。這表明它像一個“調(diào)音旋鈕”，根據(jù)狀態(tài)靈活平衡dPFC的變異性與協(xié)調(diào)性從而優(yōu)化認(rèn)知與行為輸出。

總結(jié)

研究結(jié)果突顯了屏狀核在動態(tài)調(diào)節(jié)dPFC神經(jīng)活動中的關(guān)鍵作用，能夠增強(qiáng)神經(jīng)元反應(yīng)的靈活性與同步性。屏狀核軸突激活與抑制所產(chǎn)生的不同效應(yīng)，揭示了其雙向調(diào)控能力，強(qiáng)調(diào)了該腦區(qū)在優(yōu)化大腦功能中的重要性。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步探索屏狀核實(shí)現(xiàn)這種雙重調(diào)控的具體機(jī)制，并考察其在需要整合多模態(tài)感覺信息的更復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)中的作用。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65809-6

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