自然视觉刺激下小鼠初级视皮层丘脑-皮层动态环路模式的振荡爆发特征解析

这篇研究通过艾伦神经像素视觉编码项目数据，揭示了自然视觉刺激下小鼠初级视皮层(V1)中特征特异性振荡爆发的动态环路模式。研究发现局部视觉特征可诱导V1产生具有视网膜拓扑特异性、瞬时性和频谱特异性的振荡爆发，这些爆发与背外侧膝状体(dLGN)和V1跨层神经元的相位耦合构成特征特异性动态环路基序(circuit motifs)，为理解复杂视觉信息处理的并行机制提供了新视角。

　　

自然视觉刺激诱导的视网膜拓扑特异性振荡

在哺乳动物前脑中，快速振荡动态是神经活动的重要特征，反映在局部场电位(LFP)中。这项研究利用艾伦神经像素视觉编码项目的数据，发现自然视觉刺激中的局部特征能在小鼠初级视皮层(V1)诱导出具有视网膜拓扑特异性的多频段振荡。这些特征特异性振荡与独特的跨层尖峰-相位耦合模式相关，构成了可能支持复杂视觉信息并行处理的动态环路基序。

窄带γ振荡与局部亮度的关联

研究首先聚焦于V1第4层(L4)的窄带γ振荡(NB-gamma, 50-70 Hz)。通过分析全屏均匀闪光刺激，确认NB-gamma在L4最强，其功率快速跟踪全屏亮度的变化：明亮闪光引起瞬时增加，黑暗闪光则导致降低。在自然场景中，V1-L4 NB-gamma功率与局部亮度在视网膜特定区域呈现强相关性，这种关系在小孔径采样时最为显著，表现出明显的视网膜拓扑特异性。

高频功率与对比度的关系

与NB-gamma不同，V1-L4 LFP高频功率(75-180 Hz)与自然场景中的亮度对比度(通过空间频率功率表征)密切相关。低维嵌入分析显示，高频LFP功率与空间频率功率的投影相似性最高，而NB-gamma功率则与亮度投影最为接近。这表明视觉系统的不同特征通过不同频段的振荡进行并行处理。

自然电影中的振荡爆发分类

在动态自然电影刺激下，研究人员通过时频空局部极值检测，将V1 LFP中的快速振荡分解为四类爆发：L4 NB-gamma(50-70 Hz)、L4低γ(20-40 Hz)、L4 ε(80-180 Hz)和L5 ε(100-180 Hz)爆发。这些爆发类别具有特定的频谱特征和层状定位，CSD分析揭示了各类爆发对应的电流源密度分布模式。

爆发期间的节律性放电活动

所有LFP爆发类别都伴随着相应频率的节律性放电活动。通过爆发-尖峰互相关分析发现，除L4低γ外，其他爆发期间兴奋性和抑制性神经元的整体放电率均显著增加。频率缩放的自相关和互相关分析证实，ε范围内的爆发确实反映了神经元群体的节律性协同活动，而非单神经元短间隔放电的伪迹。

特征特异性爆发与环路基序

各类爆发由特定的局部电影特征触发：L4 NB-gamma与局部亮度增加相关，L4和L5 ε爆发与局部低空间频率功率相关，L4低γ则与由移动边缘引起的光流相关。通过计算成对相位一致性(PPC)发现，不同爆发类别招募了dLGN和V1各层神经元的不同组合，形成特征特异的相位耦合模式。这些模式在不同刺激条件下保持稳定，表明它们代表了处理特定视觉特征的通用环路基序。

跨刺激的环路基序保守性

比较不同刺激条件下的相位耦合强度发现，L4 NB-gamma爆发在电影、灰屏和自然场景中的耦合强度高度相关，V1神经元的偏好相位也高度一致。类似地，L4低γ爆发在电影和漂移光栅中的相位耦合模式相似。这种跨刺激的保守性进一步支持了这些模式作为基本处理单元的观点。

这项研究通过解剖学和频谱解析的振荡爆发分析，揭示了自然视觉处理中特征特异的丘脑-皮层动态环路模式，为理解并行视觉信息处理提供了新的框架。这些发现强调了视觉诱导快速振荡作为动态环路基序标记物的重要性，可能支持复杂视觉输入的差异化和多路编码。