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为探究单细胞层面的预测误差响应机制，研究人员开展 “体外皮质电路学习预测和自发重放时间模式” 的研究。结果发现单细胞存在预测误差样响应，且不对称耦合在神经元回路时间预测中起关键作用。这为预测编码理论提供实证，助力神经疾病研究。
大脑，这个人体最神秘的 “小宇宙”，蕴含着无数奥秘等待科学家们去探索。在神经科学领域，理解大脑如何进行预测和处理信息一直是研究的核心。长期以来，科学家们致力于揭示大脑神经元的工作机制，但在单细胞层面研究预测误差响应却困难重重。以往对预测编码（predictive coding）的研究，多依赖神经元群体的电生理学研究，无法精准剖析单个细胞或细胞类型的具体贡献。而且，在神经精神疾病和神经退行性疾病中，如精神分裂症，突触病（synaptopathy）的细胞和分子机制尚不明晰，这严重阻碍了相关疾病的治疗和干预。因此，深入探究单细胞层面的预测误差响应，对于理解大脑功能和攻克相关疾病意义重大。
在此背景下，伦敦大学学院皇后广场神经病学研究所（Queen Square Institute of Neurology, University College London）的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Nature Communications》上。该研究为解决上述问题，利用体外制备（ex vivo preparations）和光遗传学（optogenetics）技术，对单细胞的预测误差响应进行研究。
研究人员运用的关键技术主要有两项：一是体外制备技术，通过构建体外的器官型脑切片模型，为研究单个神经元的活动提供了稳定且可操控的环境；二是光遗传学技术，借助光来精确控制神经元的活动，从而观察神经元在不同刺激下的反应。
下面来看看具体的研究结果：
- 单细胞预测误差响应的发现：研究发现，单个神经元能够产生预测误差样响应。具体而言，在实验中，研究人员对特定的（兴奋性、锥体）神经元进行观察，当出现预期刺激缺失的情况时，这些神经元会产生响应，这表明它们能够对预测误差做出反应。这一发现与规范微电路（canonical microcircuits）的理论相契合，按照该理论，大脑浅层的锥体神经元通常被认为会报告预测误差，并将其传递到皮质层级的更高层次。
- 不对称耦合的作用：研究还发现，兴奋性亚群之间连接的不对称性在神经元回路的时间预测中起着重要作用。这种不对称耦合打破了详细平衡，促使非耗散（又称螺线管）动力学的出现。从生物自组织的角度来看，这种不对称性对于从振荡到生命周期等各种生物现象至关重要，在大脑研究的各个层面都有所体现，从皮质场特征中的湍流到进化中的红皇后动力学。
研究结论表明，该研究首次明确识别出表现出预测误差响应的单个神经元，为预测编码理论提供了重要的实证依据。此前，预测编码的证据大多依赖于神经元群体的电生理学研究，无法区分单个细胞的贡献，而此次研究弥补了这一空白。此外，对单细胞预测误差响应的研究，有助于深入理解突触可塑性（synaptic plasticity），许多人认为突触可塑性是多种脑部疾病病理生理学的关键所在，尤其是那些可被视为由突触效能异常调节导致的功能性连接障碍综合征。
从更广泛的意义来说，这项研究成果不仅为大脑预测编码理论提供了坚实的基础，还为体外和其他神经形态模型的感知研究开辟了新道路。未来，有望基于这些发现，进一步探索神经精神疾病和神经退行性疾病的发病机制，开发出更具针对性的治疗方法，为人类大脑健康领域的研究带来新的突破。
