灵长类小脑齿状核持续性视觉信号驱动联想学习的新机制

《Communications Biology》：Sustained visual signals in the primate cerebellar dentate nucleus drive associative learning

本研究针对小脑如何参与非运动认知功能的神经机制这一科学问题，通过记录猕猴执行视觉-运动联想学习任务时小脑齿状核的神经元活动，发现持续性视觉信号在联想学习过程中特异性增强，并编码与眼跳方向相关的视觉物体信息。该研究揭示了小脑齿状核通过持续性视觉信号表征学习动机和视觉辨别能力的新功能，为理解小脑在认知障碍中的作用提供了重要依据。

　　

传统上，小脑被认为主要参与运动控制和协调功能，然而越来越多的证据表明，小脑在认知功能中也发挥着重要作用。脑成像研究显示小脑活动与动机、注意力、社会行为和情绪行为等相关，小脑功能障碍还与自闭症谱系障碍和注意力缺陷多动障碍等精神疾病有关。尽管这些关联已被观察到，但小脑如何处理与非运动认知功能相关的信号仍不清楚。特别值得注意的是，小脑、大脑皮层和基底节之间存在相互连接，并参与许多共同功能，这提示小脑可能在认知过程中扮演着比以往认识更为重要的角色。

联想学习是认知功能的核心组成部分，它使个体能够将不同刺激或刺激与反应之间建立联系。在视觉-运动联想学习中，个体需要学会将特定视觉刺激与相应的运动反应相关联。虽然前额叶皮层和纹状体在这一过程中的作用已被广泛研究，但小脑特别是齿状核在联想学习中的具体贡献尚不明确。齿状核作为小脑的主要输出核团，与前额叶皮层有着强大的连接，这提示它可能参与高级认知过程的调节。

近期研究表明，小脑皮质输入包含奖励相关信息，且小脑退行性疾病患者的非运动联想学习受损。此外，有研究报道在小脑外侧皮质（crus I和II）的神经元活动在视觉-运动联想学习过程中对奖励产生反应，并与内侧前额叶皮层相连接。同时，前额叶皮层和纹状体在联想学习中的研究显示，延迟期的持续性活动编码了与学习相关的信息。这些发现引发了一个重要问题：具有与前额叶皮层强连接的齿状核是否也在联想学习中发挥作用？

为了回答这一问题，研究人员训练两只日本猕猴（Macaca fuscata）执行视觉-运动联想学习任务，通过记录齿状核神经元活动，探究其在联想学习中的具体作用。研究设计了三种实验条件：学习条件、过度训练条件和不确定条件，以比较在不同学习阶段和动机水平下神经元活动的差异。

研究采用的主要技术方法包括：在猕猴执行视觉-运动联想学习任务时，使用不锈钢记录电极通过网格系统定向插入小脑齿状核后部区域（前囟后8-11毫米，中线旁开6-9毫米），记录单个神经元活动；通过红外眼动追踪系统监测眼动行为，采集行为事件时间戳；利用主成分分析和k均值聚类对神经元反应进行分类；采用统计学方法比较不同条件下神经元活动差异和行为策略变化。

行为策略与任务表现

猕猴在执行任务过程中表现出明确的学习行为模式。在学习条件下，随着试验次数增加，反应准确率逐渐提高，而在过度训练条件下，从每个会话开始就保持高准确率。不确定条件下，对已学习物体的反应准确率保持高水平，而对随机物体的反应准确率处于随机几率水平。

行为策略分析显示，在学习条件下，猕猴采用了"赢留输转"策略，即正确试验后对相同物体做出相同方向的眼跳，错误试验后做出相反方向的眼跳。这种策略在学习条件的后半段比前半段更为明显，表明随着学习进展，猕猴的行为适应了最优策略。相比之下，在过度训练条件下没有观察到这种差异，而对随机物体的行为策略在所有阶段都非最优。目标获取时间分析进一步证实，对随机物体的反应时间显著长于学习条件中的新物体和过度训练条件中的已学习物体，表明猕猴在学习条件下表现出更高的任务动机。

齿状核中的两种视觉信号

研究人员从两只猕猴的小脑齿状核后部区域记录了1008个神经元活动，重点关注其对分形物体的反应。通过主成分分析和k均值聚类，识别出两种视觉反应成分：早期相位反应和晚期持续反应。根据这一分析，将物体呈现后1-150毫秒内表现活动的神经元定义为相位反应神经元（56个），201-400毫秒内表现活动的神经元定义为持续反应神经元（181个）。

学习期间持续和相位反应神经元的活动

比较学习条件和过度训练条件下的神经元反应发现，相位反应神经元对新物体和已学习物体的活动水平相当，而持续反应神经元仅对新物体表现活动。56个相位反应神经元中有30个在学习条件和过度训练条件间的早期视觉期活动存在显著差异，但总体种群水平无显著差异。相比之下，181个持续反应神经元中有97个在晚期视觉期活动存在显著差异，且在学习条件下的活动显著强于过度训练条件。种群活动的时间过程进一步证实，持续反应神经元在学习条件下的活动增强。

不确定条件下的持续视觉信号

为探究持续视觉信号是否编码奖励不确定性，研究人员分析了不确定条件下持续反应神经元的活动。结果显示，持续反应神经元对随机物体和已学习物体的反应无显著差异，表明持续视觉反应并不反映不确定奖励的概率，而是在视觉-运动联想学习过程中特异性增强。

持续视觉信号编码基于关联眼跳方向的视觉物体

持续反应神经元表现出对与特定眼跳方向关联的视觉物体的方向选择性。在学习条件下的正确试验中，181个持续反应神经元中有117个在晚期视觉期对同侧和对侧眼跳物体的反应存在显著差异，且偏好同侧和对侧眼跳物体的神经元数量相当，无特定方向偏向。错误试验中未观察到显著差异。过度训练条件下，115个神经元表现显著的方向选择性，且学习条件和过度训练条件间的方向选择性强度呈正相关。

方向选择性在学习过程中发生变化，其强度随试验进展而增加，与行为表现改善相一致。错误试验中的方向选择性强度无偏向且在学习过程中无变化，表明持续视觉信号编码的是物体与运动方向的关联信息，而非特定方向的运动准备。

方向选择性与持续视觉信号增强的关系

学习调制指数与方向选择性强度呈正相关，表明持续视觉反应增强调节了学习过程中的方向选择性，且这种调节在学习结束后仍得以维持。

本研究揭示了小脑齿状核在联想学习中的重要作用，提出了一个假设性神经元网络机制：齿状核神经元接收来自前额叶皮层的眼跳方向信息和来自小脑皮质的学习状态信号。持续视觉活动在学习过程中增强，并通过提高对不同视觉物体间反应的差异来增强方向选择性。这种活动可能反映了学习关联的动机或意图，而非单纯的新奇性或奖励不确定性反应。

研究结果支持小脑齿状核在认知功能中扮演关键角色的观点，特别是通过持续性信号整合视觉和运动信息，促进联想学习。齿状核与前额叶皮层之间的相互作用可能是实现这一功能的基础。该研究为理解小脑在认知障碍中的作用提供了新的视角，并提示小脑-前额叶回路可能是治疗相关疾病的潜在靶点。

这项研究首次揭示了小脑齿状核持续性视觉信号在驱动联想学习中的双重作用：一方面表征学习状态，另一方面编码与运动方向关联的视觉信息。这些发现不仅深化了对小脑非运动功能的理解，也为研究小脑在认知障碍中的病理机制提供了重要线索。未来研究需要进一步探索前额叶皮层和小脑之间在神经元水平上的相互作用，以及通过药理学或光遗传学技术进行通路特异性操纵，以更全面理解这些过程的神经机制。