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在视觉神经研究中，皮质膝状体（CG）反馈的功能存在争议，为探究其对 LGN 神经元的影响，研究人员通过光遗传学技术开展相关研究。结果发现，CG 反馈对大细胞 / Y 流神经元空间分辨率有特异性调节，还能普遍提升 LGN 神经元时间精度，这一成果为理解视觉反馈机制提供了新视角。
在视觉的奇妙世界里，我们能够清晰地分辨各种物体的形状、颜色和运动，这背后离不开复杂而精密的视觉神经系统。在高度视觉化的哺乳动物，如灵长类和食肉动物的早期视觉系统中，存在着并行组织的神经通路。前馈电路从视网膜传递视觉信息到丘脑的背外侧膝状体核（LGN），再到初级视觉皮层（V1），并被划分为小细胞、大细胞和颗粒细胞等不同的平行流，各有独特功能。同样，由 V1 中向 LGN 发送轴突的神经元构成的皮质膝状体（CG）反馈电路，在解剖学和生理学上也呈现出平行的特征。然而，长期以来，一个关键问题一直困扰着科学家们：CG 反馈在功能上是否具有流特异性？此前的研究结果并不一致，有的表明 CG 反馈是一种普遍的调节因子，对不同细胞类型影响差异不大；而有的研究则发现，针对 LGN 中小细胞或大细胞层的靶向损伤会导致明显不同的视觉感知缺陷。这就引发了人们的思考：CG 反馈究竟在视觉信息处理中扮演着怎样的角色？它真的对不同的神经流一视同仁，还是有着更为精细和特异性的调节作用？
为了深入探究这些问题，来自美国罗切斯特大学等研究机构的研究人员 Sabrina Mai、Allison J. Murphy 等人展开了一项重要研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用了病毒介导的基因传递和光遗传学技术。他们将经过改造的狂犬病病毒注射到 LGN 中，使 CG 神经元选择性地表达光敏感离子通道（ChR2）或氯离子泵（ArchT） 。之后，利用多电极阵列记录 LGN 和 V1 神经元的反应，并通过不同的视觉刺激和光遗传刺激组合，观察神经元的变化。同时，研究还选用了猕猴和雪貂作为实验动物，进行跨物种比较研究。
研究结果如下：
- LED 驱动的 V1 和 LGN 反应：通过 LED 刺激，研究人员发现 V1 中部分位于皮层深层的神经元对 LED 刺激产生了短潜伏期、可靠的尖峰反应，这些神经元大概率是位于第 6 层的 CG 神经元。同时，LGN 中也有部分神经元受到 LED 刺激的影响，且这些影响是通过 CG 输入实现的，因为狂犬病病毒的逆行感染特性确保了 LGN 中继神经元不会被直接激活。
- 光遗传学对 LGN 神经元调谐的影响：研究人员使用一系列全面的视觉刺激来测试 CG 反馈对 LGN 神经元的影响。结果发现，不同类型的 LGN 神经元，如小细胞、大细胞和颗粒细胞，对不同的视觉刺激有着独特的调谐反应。进一步研究表明，光遗传刺激 CG 反馈对大细胞 LGN 神经元的多个调谐指标有显著影响，如增加了其偏好的空间频率、减小了偏好的光栅大小和感受野大小，还提高了额外经典周边抑制指数（SSI） 。然而，对小细胞和颗粒细胞神经元，这些指标则没有明显变化。这表明 CG 反馈在空间域中对大细胞流具有功能特异性。
- 光遗传学抑制 CG 反馈的作用：研究人员利用 ArchT 介导的抑制作用，发现大细胞 LGN 神经元的 SSI 显著降低，虽然样本量较小，但这一结果进一步支持了 CG 反馈在精细调节额外经典周边抑制方面的关键作用，且这种调节是具有流特异性的。
- 光遗传学对雪貂 LGN 神经元调谐的影响：在雪貂实验中，研究人员发现与猕猴大细胞 LGN 神经元类似，雪貂的 Y 神经元在接受 CG 反馈的光遗传刺激后，偏好的空间频率和 SSI 值显著增加，而 X 神经元则没有这种效应。这表明在不同物种中，CG 反馈对具有额外经典周边抑制的 LGN 神经元（大细胞和 Y 神经元）的空间感受野具有相似的流特异性影响。
- 光遗传学对时空感受野的影响：研究发现，光遗传激活 CG 反馈使大细胞神经元对白噪声刺激的反应幅度显著增大，这意味着 CG 反馈扩大了大细胞神经元检测亮度对比的动态范围。同时，通过对时间响应潜伏期的分析，研究人员发现光遗传刺激 CG 反馈后，所有 LGN 神经元的响应潜伏期显著缩短，这表明 CG 反馈在时间域上对 LGN 神经元的响应调节具有普遍性，不依赖于细胞类型。
- 光遗传学对 LGN 神经元反应精度的影响：研究人员通过闪烁光斑刺激测试 LGN 神经元的时间精度，发现光遗传刺激 CG 反馈显著提高了神经元的反应可靠性，降低了反应抖动，且这种效应在 On 和 Off 神经元、小细胞神经元和大细胞神经元中均显著存在。此外，光遗传刺激还增加了神经元产生单峰放电模式的概率，进一步证明了 CG 反馈对 LGN 神经元时间精度的改善作用，且这种作用在不同类型的 LGN 神经元中普遍存在。
在讨论部分，研究人员指出，以往难以发现 CG 反馈的流特异性效应，可能是由于技术限制、测试视觉刺激有限以及物种差异等原因。此次研究明确证实了 CG 反馈在灵长类和食肉动物中具有明显的流特异性效应。大细胞 / Y 的 CG 电路在调节 LGN 的前馈视觉信号中起着 “双重” 作用，既通过增强额外经典周边抑制来锐化目标 LGN 神经元的空间感受野，又提高了 LGN 神经元反应的时间精度。而其他 CG 电路（小细胞 / X 和颗粒细胞）虽然在空间调节上没有明显作用，但同样能提高目标 LGN 神经元的时间精度。这一研究成果不仅揭示了 CG 反馈的功能特异性，还表明其在视觉信息处理中具有比以往认为的更为复杂和精细的调节机制，有助于解释不同感觉模态中皮质丘脑功能的不一致现象，为进一步理解感觉反馈电路在感觉感知中的作用提供了重要依据，也为未来相关领域的研究指明了方向。
