大鼠视觉物体识别的神经关联：探索大脑视觉奥秘的新突破

《Cell Reports》：Neural correlates of visual object recognition in rats

这篇论文通过构建高通量行为平台和双光子成像技术，研究大鼠视觉物体识别的神经机制。发现大鼠视觉皮层与灵长类、小鼠既有相似性又有差异，为理解视觉处理提供新视角，也为以大鼠为模型研究感知行为奠定基础。

　　

研究背景

在动态世界中，生物识别不同环境下物体模式的能力至关重要，其中视觉发挥着关键作用。在灵长类动物中，物体识别被认为是通过腹侧视觉皮层中一系列层次组织的区域实现的，从初级视觉（V1）皮层到颞下（IT）皮层，这一通路能整合低级区域的特征选择性感受野，在高级区域形成对复杂形状更具选择性、对保持物体身份的变换更具耐受性的表征。

尽管工程机器视觉系统取得了显著进展，但由于可用于精确剖析大脑实现不变物体识别能力的动物模型有限，目前对其机制的理解仍不深入。与灵长类动物类似，大鼠也能在多种环境下通过视觉识别物体，这表明大鼠有望成为研究复杂视觉行为的对比模型，因其具有遗传和光学可及的神经回路。然而，此前缺乏在大鼠中靶向神经群体的方法，限制了将视觉回路与感知行为联系起来的研究。

对小鼠、大鼠和松鼠等啮齿动物视觉系统的研究发现，啮齿动物的视觉系统比以往认为的更为复杂。虽然啮齿动物视觉皮层与灵长类动物有一些相似之处，如特征选择性感受野和大致的层级组织，但也存在明显差异，例如大鼠初级视觉皮层缺乏方向图，具有非典型的丘系通路至纹外区域，且视觉皮层层级较浅。这些差异可能反映了不同物种的生态位以及视觉感知的统计和需求差异。

此外，大鼠在学习复杂视觉任务方面表现出色，相比小鼠更具优势，但其视觉研究在方法上仍存在不足，如高通量视觉行为系统开发滞后，神经层面的研究相对落后，尤其是在光学方法的探索上，对大鼠高阶视觉区域和与视觉空间记忆相关区域的研究较少。因此，开展对大鼠视觉感知和神经回路的研究具有重要意义。

研究方法

1. 高通量行为训练平台：开发了模块化的 OpenRatBox 系统，用于自动化、并行化的视觉行为实验。该系统由定制的铝制框架、塑料笼、响应端口、电容传感器、注射器泵和监控设备等组成。实验中，水限制的大鼠通过舔舐对应端口来判断呈现的物体图像，正确选择可获得奖励，错误选择则受到惩罚。利用此系统，对大鼠进行双选范式训练，使其先学会区分两个目标物体，再用新图像测试其对身份变化（identity-changing）和身份保持（identity-preserving）变换的识别能力。
2. 神经成像技术：
   • 为解决大鼠成像难题，开发了一套适用于清醒、头部固定大鼠的慢性侧视觉皮层成像流程。设计了可倾斜的双通道双光子显微镜，能围绕动物移动成像平面，提供不同视野（FOV）且具备细胞分辨率。同时，优化了手术和适应程序，制作了定制头板和运动学安装架，以确保能重复定位同一细胞进行成像。
   • 使用基因编码的钙指示剂进行多点注射，并在大鼠皮层后颞边缘放置大窗口，结合可倾斜的串联透镜落射荧光宏观显微镜，利用标准循环棒范式获取大鼠视觉皮层的宽场地图，从而确定视觉区域的位置和范围。

研究结果

1. 大鼠视觉物体识别能力：通过高通量训练，大鼠展现出强大的视觉物体识别能力。在身份变化变换测试中，大鼠能准确区分不同物体，其感知的物体边界与物理形状变化相符，平均可感知约 20% 的形态差异。在身份保持变换测试中，大鼠对不同尺度和旋转的物体具有良好的泛化能力，且准确率不受曝光次数影响，表明泛化可能是潜在神经表征的固有特征。
2. 大鼠视觉皮层的功能组织：
   • 光学映射显示，大鼠视觉皮层具有平滑的视网膜拓扑图，可清晰划分初级和纹外区域，且与电生理估计结果相似。同时，发现从初级到纹外区域，皮层放大率逐渐降低，且在垂直方向上存在 2 倍的放大率增加，这与小鼠 V1 类似。
   • 对不同视觉区域的神经元进行分析，发现从初级到高级视觉区域，神经元的感受野逐渐增大，方向调谐曲线变宽，对简单边缘的响应减少，对复杂特征的选择性增强。但与灵长类动物不同的是，大鼠高级视觉区域 LI 中的方向选择性在方向调谐细胞中较高，且单个神经元的感受野存在各向异性，垂直方向的视觉场表示相对较多，这可能使啮齿动物在垂直方向上具有更高的视觉分辨率。
   • 尽管在单细胞水平上，大鼠视觉皮层在物体选择性等高级响应属性上差异不明显，但在群体水平上，发现 LI 区域对尺度变化更具鲁棒性，其泛化能力优于 V1 和 LM 区域，这表明大鼠侧纹外区域在无需学习的情况下就能支持泛化。
3. 大鼠视觉皮层的空间组织：研究发现，大鼠视觉皮层在微观尺度上，相邻神经元的视网膜拓扑存在无序性，但附近细胞在物体形态调谐上具有相似性，且这种相似性与感受野重叠相关。然而，具有高度重叠感受野的神经元也可能表现出不相关或反相关的调谐曲线，这可能为视觉场的特征表示提供多样性和鲁棒性。

研究讨论

1. 研究贡献：本研究开发的高通量行为平台和双光子成像技术，为研究大鼠复杂行为（如不变物体识别）的神经基础提供了有力工具。通过对大鼠视觉皮层的研究，进一步揭示了啮齿动物纹外皮层的功能逻辑，发现大鼠视觉区域与灵长类动物腹侧流有相似之处，也存在明显的物种特异性差异，这有助于理解不同物种解决视觉物体识别问题的共同和不同原则。
2. 与其他研究的关联：以往对啮齿动物视觉系统的研究多集中在小鼠，本研究以大鼠为对象，补充了对啮齿动物视觉处理的理解。大鼠和小鼠在视觉能力、学习速度和视觉皮层组织等方面存在差异，表明单一的啮齿动物模型可能无法全面解释感知机制。未来研究可进一步探索不同啮齿动物视觉系统如何适应各自的生态位。
3. 研究局限性与展望：本研究存在一些局限性，如病毒注射实现均匀的 GCaMP 表达具有挑战性，实验使用的物体集有限，缺乏对更多变换类型的测试，且未进行扰动实验以明确各区域在视觉物体识别中的作用。未来研究可使用转基因大鼠改善成像一致性，测试更多刺激条件深入了解大鼠视觉皮层的耐受性和选择性，开展扰动实验确定各区域功能，并结合先进光学技术精确操纵神经元，进一步揭示视觉物体识别的神经机制。

研究意义

本研究通过创新的行为和光学成像方法，深入探究了大鼠视觉物体识别的神经机制。不仅揭示了大鼠视觉皮层的功能和空间组织特征，还发现了其与灵长类和小鼠的异同，为理解大脑如何实现视觉物体识别提供了新的视角。同时，本研究的方法和成果为以大鼠为模型进行感知和行为的机制研究奠定了技术基础，有助于推动神经科学领域对视觉处理和认知功能的深入理解。