丘脑轮辐网络通过协调视觉运动动力学，使行动过程中的视觉感知成为可能

动物必须区分来自感官刺激的信号和动作产生的信号。研究表明，腹侧膝状核作为抑制运动诱导的视觉信号的必然放电中心，协调准确的感知和运动控制。

　　

丘脑 vLGN：协调视觉与运动，助力行动中的视觉感知

奥地利科学技术研究所（Institute of Science and Technology Austria）的 Tomas Vega-Zuniga、Anton Sumser 等研究人员在《Nature Neuroscience》期刊上发表了题为 “A thalamic hub-and-spoke network enables visual perception during action by coordinating visuomotor dynamics” 的论文。该研究揭示了大脑在行动过程中如何实现精确视觉感知和运动控制的关键机制，为理解神经系统如何协调感觉与运动提供了重要依据，有助于深入探索视觉感知和运动控制相关的神经科学问题，对未来相关领域的研究具有重要的指导意义。

一、研究背景

在动物的视觉感知过程中，自身运动带来的视觉干扰是一个关键问题。从图像本身难以区分视觉扰动是源于环境变化（外部传入，exafference）还是自身运动（内部反馈，reafference）。为了在运动中保持连贯的感知，动物必须区分这两种信号来源，这需要大脑与身体的复杂协调以及神经机制来补偿运动中的视觉偏差。

在众多相关神经机制中，推论放电（corollary discharge，CD）起着重要作用。CD 是一种将运动指令副本传递到感觉处理区域的神经信号，能够提供关于预期感觉反馈的预测信息，在扫视抑制等过程中发挥关键作用，确保感知的连续性。然而，运动对视觉处理的影响方式多样，使得对再传入信号的有效估计和补偿变得复杂。此外，在哺乳动物中，与视觉处理相关的 CD 信号分布于丘脑和皮质区域，进一步增加了研究的复杂性。

上丘（superior colliculus，SC）作为脊椎动物中保守的中脑枢纽，在视觉感觉运动转换中至关重要。其输出与 CD 相关，参与多种视觉运动过程，包括视觉感知和认知等。为确保通过 SC 实现正确的视觉感知和视觉运动控制，SC 不仅要提供产生 CD 所需的运动信号，还需具备纠正自身运动引起的视觉扭曲的能力。

腹外侧膝状体核（ventral lateral geniculate nucleus，vLGN）是视网膜接受丘脑区域，由主要的抑制性神经元组成，与视觉和运动相关区域连接广泛，参与多种视觉任务。基于这些特性，研究人员推测 vLGN 在协调视觉运动处理中发挥重要作用，可能作为 CD 操作的关键节点。

二、研究材料和方法

（一）实验动物

研究使用了多种基因编辑小鼠，包括 Gad2-IRES-Cre、Ai75D、NTSR1-GN209-Cre、GRP-KH288-cre、Rorb-Cre 和 C57BL/6J 小鼠等，在不同实验中依据需求选择相应品系，并严格按照动物实验规范进行饲养和实验操作。

（二）病毒载体

运用多种病毒载体来实现特定基因的表达和神经元的标记。如利用 AAV1-cre 进行顺行跨突触表达，通过 AAV-DIO-Ef1a-TVA-FLAG-2A-N2C_G 和假型狂犬病载体（N2C (Enva)-EGFP）进行逆行跨突触表达，使用 AAV-hSynapsin1-FLEx-axon-GCaMP6s 在 vLGN/IGL 神经元中表达钙指示剂，以及通过 AAV5-hSyn-FLEX-TeLC-P2A-dTomato 来阻断 vLGN 输出等。

（三）实验技术

1. 立体定位病毒注射：在麻醉小鼠后，使用立体定位仪将病毒精准注射到 vLGN、SC、视觉皮层等特定脑区，注射后给予小鼠充分恢复时间以确保病毒有效表达。

2. 体外电生理学记录：对麻醉小鼠进行心脏灌注，取包含 SC 的脑切片进行体外电生理实验。通过记录神经元的电活动，分析 vLGN 对 SC 神经元的抑制作用等。

3. 体内记录实验：包括体内电生理学、光遗传学和钙成像实验。在清醒、行为学状态下的小鼠上进行实验，通过植入电极和光纤，记录神经元活动、光激活 vLGN 后的反应以及利用钙成像技术观察 vLGN 轴突终末的活动情况。

4. 行为学实验：采用视觉悬崖范式测试小鼠的深度感知能力，通过记录小鼠在视觉悬崖装置上的行为，分析 vLGN 对视觉感知和运动协调的影响。同时，在其他实验中记录小鼠的眼动、瞳孔变化和运动速度等行为参数，以探究 vLGN 与行为之间的关系。

三、研究结果

（一）vLGN—— 感觉和运动区域的整合枢纽

研究人员运用高嗜神经性 N2c 狂犬病病毒载体，对 vLGN 和 IGL 向 sSC 细胞类型的相对贡献进行研究。结果发现，sSC 神经元的突触前神经元主要来自 vLGN，IGL 中标记细胞极少，dLGN 中无标记神经元。通过光遗传学刺激 Gad2+ vLGN 终末结合体外全细胞记录，证实 vLGN 能对 sSC 施加直接抑制性控制。

进一步利用 N2c 狂犬病载体绘制 Gad2+ vLGN 神经元的直接输入区域，发现 vLGN 除接收视网膜输入外，还与广泛的皮层和皮层下区域有直接投射联系，这些区域涉及情感、认知控制、恐惧应激反应以及运动协调等功能。这表明 vLGN 处于连接感觉和运动区域的扩展网络中心，可能在行为过程中对视觉中心提供 CD 型控制。

（二）vLGN 塑造早期视觉系统中的视觉反应

在清醒、行为学状态下的小鼠中，研究人员通过硅探针记录 SC 不同层的视觉诱发反应，并光遗传学激活 vLGN。结果显示，vLGN 的光遗传学刺激可强烈抑制 sSC 的视觉反应，使最大放电率降低约 60%，但对第一个动作电位的起始时间影响较小，主要影响放电速率。vLGN 抑制作用具有短暂性，在视觉和光遗传学刺激重叠时最强，持续约 100ms。此外，vLGN 激活还能锐化 sSC 神经元的时空感受野，表明 vLGN 作为前馈抑制枢纽，在空间和时间域上有效锐化视觉反应。

（三）vLGN 是 CD 的中心枢纽

通过在 vLGN 的 Gad2 + 细胞中引入钙指示剂 axon-GCaMP6s，利用双光子钙成像技术观察 vLGN 轴突终末在 sSC 的反应特性。研究发现，vLGN 终末对快速频率调制刺激反应显著，对全视野移动光栅刺激表现出对时间光栅运动的偏好，且在视网膜图像因自身运动预期发生变化时，vLGN 终末活动可有效抑制视觉信号。

与视网膜终末相比，vLGN 终末活动与行为的耦合程度更高，80% 的 vLGN 终末受行为显著调制，且约 38% 的行为调制 vLGN 终末仅受一种行为参数特异性调制。此外，运动和瞳孔动力学对 vLGN 终末活动具有独立影响。这表明 vLGN 到 sSC 的投射由跨模态信号激活，能在自身运动时为视觉信号提供有效抑制。

（四）vLGN 反馈对行动中的视觉感知至关重要

利用经典视觉悬崖范式测试小鼠深度感知能力，结果显示，阻断 vLGN 功能的小鼠悬崖回避行为显著减少，表明其深度感知受损。这是由于 vLGN 阻断后，运动引起的视觉模糊增加，影响了运动视差计算。而在相邻内侧丘脑区域表达破伤风毒素轻链（TeLC）不影响悬崖回避行为，进一步证明 vLGN 在视觉运动处理和感知中的特异性作用。

（五）vLGN 协调视觉和运动信号

对比 vLGN 对真实扫视和伪扫视的反应，发现 vLGN 终末主要对真实扫视敏感，偏好自愿眼球运动的扫视。通过慢性阻断双侧 Gad2+ vLGN 输出，记录 SC 电生理活动，发现 vLGN 输出阻断后，SC 对扫视的反应平均延长 100ms，且前 200ms 平均放电率增加。这表明 vLGN 参与减少扫视过程中视网膜传递的运动模糊，是减少行动中有效视觉暴露时间的神经机制。

（六）vLGN 分布式投射驱动纠正行为

进行顺行标记实验确定 vLGN 的全脑投射，发现 vLGN 除投射到 sSC 外，还广泛投射到一系列皮层下感觉和运动相关区域。光遗传学激活 vLGN 后，小鼠在注视、瞳孔大小、行走方向和跑步机旋转等方面出现明显变化，且这些行为变化并非由 sSC 介导。这表明 vLGN 在协调感觉和行动方面具有全局影响，能驱动纠正行为。

（七）vLGN 控制纠正行为和唤醒

通过量化 vLGN 阻断小鼠的精细运动缺陷，发现其在视动反射中的扫视次数显著减少，感觉诱发的瞳孔收缩速率大幅下降，且瞳孔大小在静止和跑步期间均显著小于对照组，无法达到完全扩张状态。这表明 vLGN 对视觉驱动和与跑步 / 唤醒相关的眼球运动行为的精细控制至关重要，能实时同步视觉处理和动物行为。

四、研究结论

该研究表明，vLGN 在协调运动动作和视觉处理方面发挥着基础性作用，通过作为一个关键的 CD 中心枢纽，整合视觉和运动信号，调节早期视觉转换，减少运动引起的视觉模糊，从而维持感知稳定性。vLGN 的功能障碍会导致行动中的视觉感知和运动协调受损，影响动物对环境的有效交互。

五、研究讨论

在视觉系统中，动物区分自身运动和外部世界引起的感觉输入至关重要，虽然已有多种机制参与这一过程，但仍存在无法完全稳定的自身诱导视觉运动。本研究发现 vLGN 作为一个强大的感觉调制枢纽，通过其对 sSC 的抑制性投射，整合视觉和行为参数，为衰减行动中感觉刺激的影响提供了关键的第一步。

vLGN 不仅在感觉周边调节感觉信号，使大脑能够比较预测和实际的感觉输入，还在更广泛的层面上协调和微调多个感觉运动过程。其多样化的神经元群体和广泛的投射模式，使其能够参与不同时间尺度和特异性的行为控制，实现对运动模糊等的通用补偿以及针对特定行为的适应性调整。

然而，目前对 vLGN 的研究仍存在局限性。研究人员虽揭示了 vLGN 在协调视觉和运动方面的重要作用，但对于视觉信号随后如何被大脑处理和解释，以及 vLGN 如何具体区分外部刺激和自身行动引起的感觉体验，仍有待进一步探索。此外，vLGN 中存在多种抑制性神经元，本研究将其视为一个整体进行研究，未来需要深入探究不同 vLGN 亚电路在视觉运动功能中的具体作用。

总体而言，该研究为理解大脑在行动中实现精确视觉感知和运动控制的机制提供了重要线索，强调了视觉和运动之间的紧密联系，对后续研究具有重要的指导意义，有望推动相关领域在神经机制和功能方面的深入探索。