前边缘皮层神经元活动模式与啮齿类持续操作测试中注意行为的关联性研究

《Translational Psychiatry》：Patterns of neural activity in prelimbic cortex neurons correlate with attentional behavior in the rodent continuous performance test

本研究针对神经精神疾病中常见的持续性注意缺陷，通过活体钙成像技术记录小鼠在执行rCPT任务时前边缘皮层（PrL）的神经元活动。研究发现高任务熟练度阶段PrL神经元在正确反应时招募比例显著升高，并利用隐马尔可夫模型（HMM）识别出与任务参与度相关的两种神经状态（Engaged/Disengaged状态），其中Disengaged状态表现为更高的神经元活动相关性。该研究为理解前额叶皮层在注意调控中的网络动力学机制提供了新视角。

　　

在认知神经科学领域，持续性注意（sustained attention）作为支撑高级认知功能的核心要素，其机制解析一直是研究者攻坚的重点。这种能够长时间聚焦于特定任务或刺激的能力，在注意缺陷多动障碍（ADHD）、精神分裂症和抑郁症等多种神经精神疾病中普遍受损，严重影响患者的日常生活质量。尽管啮齿类连续操作测试（rCPT）作为转化研究的重要工具已被广泛应用，并对前边缘皮层（prelimbic cortex, PrL）——这一与人类背侧前扣带回皮层（dACC）功能同源的脑区——在注意行为中的关键作用已有初步认识，但PrL神经元群体在任务执行过程中的动态变化规律及其与注意波动的关系仍不明确。

为深入探索PrL神经元在持续性注意中的活动模式，Jorge Miranda-Barrientos等研究者在《Translational Psychiatry》上发表了最新研究成果。他们通过活体钙成像技术，利用基因编码的钙传感器GCaMP6f，记录了小鼠在rCPT任务三个不同训练阶段（Stage 2低认知负荷、Stage 3-early高认知负荷/低熟练度、Stage 3-late高认知负荷/高熟练度）的PrL神经元活动。研究发现，在任务熟练度高的阶段（Stage 3-late），有更高比例的PrL神经元在正确反应（Hit）时被激活或抑制（调制），而在错误反应（False Alarm, FA）中调制神经元比例较低。此外，行为分析显示小鼠在任务过程中交替出现反应期和非反应期，提示存在注意波动。

研究团队进一步采用隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model, HMM）对全局PrL活动进行分析，识别出两种潜在的神经状态：Engaged（参与）状态和Disengaged（脱离）状态。行为事件与状态的对应分析表明，正确和错误反应更可能发生在Engaged状态，而长延迟的非反应期则更多出现在Disengaged状态。更重要的是，神经元活动相关性分析显示，Disengaged状态下PrL神经元间的相关性显著高于Engaged状态，表明任务参与度与PrL网络同步性水平密切相关。

关键技术方法包括：1）通过rCPT行为范式训练小鼠并记录其行为表现；2）利用内窥镜钙成像系统（Inscopix nVista 3.0）在三个不同训练阶段记录PrL神经元的钙活动；3）采用隐马尔可夫模型（HMM）分析神经元群体动态；4）运用相关性分析考察神经元网络同步性；5）使用广义线性混合模型（GLMM）统计比较不同阶段的神经元招募情况。

实验设计及rCPT任务熟练度获取

小鼠在rCPT训练中表现出明显的学习曲线。Stage 1阶段小鼠快速学会对视觉刺激产生反应；Stage 2阶段正确反应数保持高位；进入Stage 3后，小鼠初期（Stage 3-early）表现接近随机水平（d'≈0），但随着训练进展到Stage 3-late阶段，辨别能力显著提高（d'=0.88±0.05），错误反应减少，且错误反应的潜伏期缩短。

正确反应中PrL神经元钙活动增强

对不同反应类型周围钙活动的分析表明，在正确反应（Hit）中，PrL神经元表现出更明显的调制现象。Stage 3-late阶段有17.4%的神经元为上调制（up-modulated），31.4%为下调制（down-modulated），而错误反应（FA）中调制神经元比例显著降低。神经元活动在刺激呈现和屏幕触摸之间开始增加，提示PrL可能参与决策和奖励处理过程。

反应期与非反应期交替出现

行为时间线分析显示，小鼠在rCPT任务中交替出现反应密集期和几乎没有反应的非反应期，这种模式在所有训练阶段均存在，反映了注意力的自然波动。

与任务参与相关的神经状态识别

应用二状态HMM分析发现，行为反应更可能发生在Engaged状态（概率0.71±0.03），而非反应期则更多对应Disengaged状态（概率0.67±0.03）。状态识别质量与行为参数相关：反应潜伏期的变异系数和c参数（反映反应策略）与Engaged状态中反应发生的概率显著正相关。

任务参与状态下的PrL钙活动网络变化

相关性分析显示，Engaged状态下PrL神经元间的相关性普遍低于Disengaged状态。无论是正相关还是负相关（反相关）值，在Engaged状态下的累积概率曲线均向左偏移，表明网络同步性降低。随着神经元对间距离的增加，相关性呈指数衰减，且这种衰减在Engaged状态下更为明显。

本研究通过高时空分辨率的钙成像技术，揭示了PrL神经元群体在持续性注意任务中的动态编码规律。研究发现不仅证实了PrL在注意加工中的重要性，更首次展示了任务熟练度和参与度如何差异化地招募PrL神经元活动。特别值得注意的是，通过计算建模方法识别出的神经状态与行为表现密切相关，且不同状态下的网络同步性存在显著差异，这为理解前额叶皮层在认知控制中的网络机制提供了新视角。

该研究的发现具有重要的转化价值。PrL与人类dACC的功能同源性意味着这些机制可能同样适用于人类注意加工。对神经状态转换机制的深入理解，有望为注意力缺陷疾病的干预提供新靶点。未来研究可以进一步探讨去甲肾上腺素（NE）等神经调质系统在调节PrL网络状态转换中的作用，以及这些机制在病理条件下的变化，为开发针对注意力障碍的新型治疗策略奠定基础。