前额叶内侧皮质（mPFC）神经元对任务空间的编码：轨迹特异性与泛化性表征的协同作用

本文通过小鼠实验，揭示了前额叶内侧皮质（mPFC）中存在不同类型神经元对任务空间的编码机制。

　　### 前额叶内侧皮质（mPFC）神经元对任务空间的编码：轨迹特异性与泛化性表征的协同作用
在生命科学的研究领域中，大脑如何对空间信息进行编码和处理一直是备受关注的重要课题。前额叶皮质在工作记忆和决策 - making 中起着关键作用，其中前额叶内侧皮质（medial prefrontal cortex，mPFC）神经元的空间调谐特性更是研究的焦点之一。过往研究发现，mPFC 神经元存在轨迹特异性（trajectory-specific）和泛化性（generalized）两种不同的空间调谐方式，但它们在任务空间编码中的具体作用尚不清楚。本文通过一系列实验，深入探究了这两种编码方式在 mPFC 中的作用机制。

实验设计与方法

研究人员选用了 Thy1-GCaMP6f 小鼠，利用 1 - 光子钙成像技术，对 mPFC 第 5 层锥体细胞的钙信号进行分析。小鼠被训练执行嗅觉引导的空间记忆任务，在任务中，小鼠需要根据呈现的气味选择正确的手臂以获取奖励。为了便于分析神经元的空间调谐，研究人员将小鼠的运动轨迹进行了线性化处理，将其位置表示在归一化的任务空间中。

在实验过程中，研究人员对小鼠的行为进行了详细记录，并同步采集了神经元的钙信号。通过特定的算法和工具，如 CaImAn 和 CellReg，对钙信号进行处理和分析，提取出神经元的活动信息。同时，研究人员还运用了多种统计方法，对实验数据进行量化和分析，以探究不同类型神经元的特性和功能。

实验结果

1. mPFC 中轨迹特异性和泛化性编码的共存：研究人员通过分析神经元的空间调谐函数发现，mPFC 中存在三种类型的神经元：轨迹特异性神经元、路径等效（path - equivalent）神经元和任务序列选择性（task - sequence - selective）神经元。轨迹特异性神经元在不同轨迹上的调谐功能不同；路径等效神经元在左右试验中的调谐功能相似；任务序列选择性神经元则在动物接近特定任务结构特征时激活。通过量化分析，研究人员发现路径等效神经元占比最大，约为 43%，轨迹特异性神经元和任务序列选择性神经元占比分别约为 25% 和 29%。这表明在执行任务时，mPFC 中这三种具有不同调谐反应的神经元类群是共存的。
2. 轨迹特异性和泛化性类别的功能差异：进一步研究发现，这三种神经元在功能参数上存在明显差异。轨迹特异性神经元的平均活动水平低于路径等效神经元；其空间信息（spatial information，SI）值较大，且具有显著 SI 的神经元比例更高；同时，受运动速度调制的神经元比例也高于其他两类神经元，且大多数表现出与运动速度的负相关。这些差异表明，不同类型的神经元在信息处理和编码方式上存在明显的分工。
3. 泛化性神经元对任务空间的稳定表征：在评估神经元空间调谐的稳定性时，研究人员发现路径等效神经元在日内和日间的空间一致性和稳定性最高。这意味着路径等效神经元能够更稳定地对任务空间进行表征，而轨迹特异性神经元的空间稳定性则较低。这种稳定性的差异可能与它们在任务空间编码中的不同作用有关。
4. 功能类别对任务空间编码的不同贡献：为了探究不同神经元类别对任务相关参数编码的贡献，研究人员进行了解码分析。结果表明，所有类别的神经元都能为试验结果的编码提供信息，但在编码任务空间的位置信息时，路径等效神经元表现更为出色。无论是相对位置还是绝对位置的解码，路径等效神经元的误差都显著低于其他两类神经元。这说明路径等效神经元在为动物提供当前位置信息方面发挥着重要作用。
5. 任务学习早期类别的组成差异：研究人员还发现，在任务学习早期，小鼠中轨迹特异性神经元的比例较高，而路径等效神经元的比例较低。随着任务学习的进行，路径等效神经元的比例可能会增加。这表明在学习过程中，mPFC 神经元的编码方式会发生动态变化，以适应任务的需求。

研究结论与意义

本研究通过对小鼠 mPFC 神经元的研究，明确了轨迹特异性和泛化性神经元在任务空间编码中的不同作用。路径等效神经元能够提供关于动物当前位置的准确信息，其稳定的空间调谐特性有助于在任务执行过程中维持对任务空间的精确表征。而轨迹特异性神经元可能代表了一种快速出现、规则独立的环境 “默认” 地图，在任务学习早期发挥重要作用。随着学习的进行，路径等效神经元逐渐占据主导，形成更稳定、更具信息性的任务空间地图。

这些发现为深入理解大脑如何编码和处理空间信息提供了重要依据，有助于揭示学习和记忆的神经机制。同时，也为相关神经系统疾病的研究提供了新的视角，因为空间认知障碍是许多神经系统疾病的常见症状之一。未来的研究可以进一步深入探讨不同类型神经元之间的相互作用，以及它们在更复杂任务和不同环境中的编码机制。

研究的局限性

尽管本研究取得了重要成果，但也存在一些局限性。首先，神经元的调谐多样性可能比研究中所划分的三种类别更为复杂，部分神经元具有混合的类属性，表明这些类别可能只是连续谱的极端情况。其次，研究仅对不同组的小鼠进行了分析，未来需要对同一批神经元进行纵向追踪，以明确任务学习对神经元类别的影响。此外，由于实验中主要使用的小鼠品系中主要是第 5 层细胞表达 GCaMP，浅层神经元的类别组成和对任务编码的贡献还有待进一步研究。

综上所述，本研究在 mPFC 神经元对任务空间编码的研究方面取得了重要进展，为后续的研究奠定了坚实的基础，有望推动我们对大脑空间认知功能的进一步理解。