这篇顶级研究让我们再次看到了大脑的神奇之处，简单来说，我们过往的经历所产生的刺激会留在我们大脑中，当我们在发呆，小憩或者白日梦时，这些刺激会重新在我们大脑中出现进而塑造大脑的认知、学习和记忆，并且这些新产生的大脑变化是可以被预测的，某种程度上可以达到：预知梦的效果！而这背后的生物学机制，正是本文的标题：皮质重新激活预测未来的感觉反应。
据说，人的一生有三分之一都在睡眠中度过，而睡眠中各种光怪陆离的“梦境”时常带着神秘。千百年来，无数人都试图解析“梦境”背后的意义，更有甚者相信通过梦境可以预测未来，从我国“周公解梦”的流传程度便可见一斑。
而在现代生物科学研究中，脑科学研究是最为神秘的一个研究领域，目前世界各国都相继推出了自己的脑科学计划，都试图在破解人类大脑之谜中走在前列。那么，面对大脑每天产生的各种“梦境”，如何用现代科学去解析“梦境”的发生发展和功能是脑科学研究的热点问题。
休息时“复盘”是我们现在经常听到的一种学习方法，通过回忆总结过去经历的得失从而进行学习提高。这个过程反映的是我们的大脑在没有接收持续的新刺激时，可能会通过重新激活以往的记忆神经元来进行学习。这个过程经常发生在我们走神、发呆、白日梦或者睡眠期间。现代脑科学研究已经在海马体、杏仁核、前额皮质、视觉皮层和大脑其他地方都观察到了这些脑部行为背后神的经元变化。
然而，以往关于这种大脑在休息中“复盘”机制的研究仅仅涉及到几十到几百个神经元，而重新激活与之前刺激之间的异同点仍然是未知的。为了解决上述问题，12月13日国际顶级期刊《Nature》在线发表了哈佛医学院Andermann教授团队的最新研究成果，他们通过记录大脑视觉皮层中的6900个神经元在几天内的活动，探究了关于大脑视觉皮层的刺激和重新激活的机制，简单来说就是探究了我们在不经意间走神时的脑神经变化。
安静醒来时外侧视觉皮层的分布式刺激再激活
首先，研究人员探究了实验鼠脑部皮层神经元的激活分布模式。8只小鼠被固定并每天给与 64 种视觉刺激中随机两种（S1和S2），并通过病毒注射钙指示剂对神经元进行钙成像，结合观察结果和统计分析表明横向视觉皮层刺激再激活参与了这个过程，并且没有大脑或眼球运动的增加，而这些有助于刺激重新激活的神经元均匀分布在四个横向视觉皮层区域。在刺激呈现和刺激重新激活期间，每个区域和深度的活动水平相似。并且，研究人员发现数千个神经元的成像提高了捕获刺激重新激活的灵敏度。而当随机使用10%的神经元进行实验时，超过三分之二的已识别的重新激活被遗漏，并且假阳性重新激活的比率也随之增加。
呈现 S1 或 S2 后 S1 和 S2 重新激活的单会话光栅图
此外，研究人员还观察到小鼠整个训练过程中刺激重新激活率的不断下降，这表明神经元的重新激活率可能与最近接触刺激的频率成反比。并且，研究人员发现刺激新颖性与刺激周围唤醒在调节重新激活率中发挥重要作用。进一步地，研究人员探究了上述变化是否需要参与重新激活的相同皮层神经元在先前的刺激呈现期间处于活动状态。通过光遗传学方法抑制小鼠外侧视觉皮层成像区域的兴奋性神经元的刺激诱发活动，研究人员发现这种抑制极大降低了随后的刺激再激活率和感觉偏差。因此，感觉体验期间的局部皮层活动对于随后出现的偏向重新激活是必要的。
刺激反应模式的渐进分离与重新激活率相关
之前的研究表明，这种神经元的的重新激活模式可能在记忆巩固和学习中发挥作用。尽管已知视觉皮层反应模式会随着重复呈现而逐渐变化，但重新激活与此过程的关系仍不清楚。通过使用相邻 S1 和 S2 单试验响应模式之间的 Pearson 相关性分析，ROICaT成像等方法研究人员发现在整个试验中，外侧视觉皮层刺激、表征的演变与刺激特异性重新激活的速率密切相关，这表明重新激活与随后的反应模式正交化之间可能存在关系。
之前的研究表明，这种神经元的的重新激活模式可能在记忆巩固和学习中发挥作用。尽管已知视觉皮层反应模式会随着重复呈现而逐渐变化，但重新激活与此过程的关系仍不清楚。通过使用相邻 S1 和 S2 单试验响应模式之间的 Pearson 相关性分析，ROICaT成像等方法研究人员发现在整个试验中，外侧视觉皮层刺激、表征的演变与刺激特异性重新激活的速率密切相关，这表明重新激活与随后的反应模式正交化之间可能存在关系。
重新激活预测代表性漂移
最后，研究人员想要探究一下这种神经元的重新激活是否能够预测未来的刺激发生，研究人员将每个模式投影到会话中早期和晚期试验之间刺激诱发的群体活动变化的轴上。结果发现从早期试验到晚期试验，刺激反应模式和刺激重新激活模式会出现相对应的演变，并且这种预测的刺激重新激活模式在整个试验中十分稳定。此外，研究人员还发现这种预测不仅可以预测日内表征漂移，还可以预测全天漂移。而对早期刺激诱发反应和早期重新激活的活动模式之间的对比分析表明这种神经元重新激活的速率和模式对于预测刺激诱发反应模式的未来内容和变化率十分重要。此外，研究人员通过一个简单的启发式模型证明了这种刺激的重新激活足以预测未来刺激诱发的反应模式漂移的性质和速率。
参考文献：Nguyen, N.D., Lutas, A., Amsalem, O. et al. Cortical reactivations predict future sensory responses. Nature (2023).
文章来源:生物谷
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