【NeuroNexus文章分享】解密嗅覺皮層，氣味與情境的融合

更新時(shí)間：2025-01-10

在神經(jīng)科學(xué)的廣闊領(lǐng)域，嗅覺皮層（PCx）一直被視為探索大腦信息處理機(jī)制的“黃金區(qū)域"。一項(xiàng)關(guān)于非嗅覺編碼獲取提升嗅覺皮層氣味辨別能力的研究取得了令人振奮的成果，揭示了嗅覺皮層在氣味處理中的復(fù)雜機(jī)制。

本研究使用了NeuroNexus神經(jīng)硅電極，（型號(hào)：A1x32-Poly3-5mm-25s-177）捕捉了PCx區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)。

行為學(xué)實(shí)驗(yàn)：虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)與獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)

這項(xiàng)研究的“主角"是小鼠的初級(jí)嗅覺皮層（PCx）。研究人員探索了在學(xué)習(xí)過程中，如何通過將氣味與行為關(guān)聯(lián)，進(jìn)而提升小鼠的氣味辨別能力。借助一項(xiàng)創(chuàng)新的虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)，研究人員成功將氣味與視覺情境相結(jié)合，為理解嗅覺皮層的神經(jīng)編碼機(jī)制打開了全新的大門。

實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建虛擬線性走廊系統(tǒng)，讓小鼠在頭固定的情況下，區(qū)分兩種視覺情境和兩種氣味組合，并在特定情境下給予獎(jiǎng)勵(lì)。隨著訓(xùn)練的進(jìn)行，小鼠逐漸學(xué)會(huì)根據(jù)氣味與情境的關(guān)聯(lián)做出正確反應(yīng)，從初期的混亂表現(xiàn)到后期的精準(zhǔn)識(shí)別，展現(xiàn)了學(xué)習(xí)的顯著進(jìn)展。

【NeuroNexus文章分享】解密嗅覺皮層，氣味與情境的融合

圖1

a ：虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的示意圖。小鼠在虛擬走廊中活動(dòng)，氣味與視覺情境關(guān)聯(lián)，獎(jiǎng)勵(lì)則位于情境出口。圖示明確了氣味和獎(jiǎng)勵(lì)在實(shí)驗(yàn)中的時(shí)空關(guān)系，為后續(xù)分析提供了清晰的框架。
b：定義了只有特定的氣味-情境組合與獎(jiǎng)勵(lì)相關(guān)聯(lián)，為后續(xù)分析提供了任務(wù)條件的明確指引。
c：小鼠的學(xué)習(xí)進(jìn)程圖，行為指標(biāo)顯示隨著訓(xùn)練的進(jìn)行，小鼠逐步掌握了氣味與情境的關(guān)聯(lián)，達(dá)到了專家水平。
d：學(xué)習(xí)前后行為的顯著變化，專家小鼠表現(xiàn)出預(yù)期性行為，如在接近獎(jiǎng)勵(lì)區(qū)時(shí)提前舔舐反應(yīng)，進(jìn)一步證明了小鼠對(duì)氣味-情境-獎(jiǎng)勵(lì)的精準(zhǔn)掌握。
e/f ：神經(jīng)元活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化，專家小鼠的神經(jīng)元群體活動(dòng)變得更加復(fù)雜，能夠同時(shí)解碼氣味、情境和獎(jiǎng)勵(lì)信息

神經(jīng)記錄：NeuroNexus 讓數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)

在神經(jīng)記錄方面，研究人員采用了美國NeuroNexus公司研發(fā)生產(chǎn)的32通道神經(jīng)硅電極（型號(hào)：A1x32-Poly3-5mm-25s-177）捕捉PCx區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)。這款高通道、低噪聲設(shè)計(jì)的電極使得研究者能夠精確監(jiān)測(cè)神經(jīng)元群體的動(dòng)態(tài)變化，為研究提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。在實(shí)驗(yàn)中，NeuroNexus探針成功記錄了小鼠在任務(wù)執(zhí)行過程中神經(jīng)元活動(dòng)的細(xì)微變化，揭示了神經(jīng)編碼在學(xué)習(xí)過程中如何不斷進(jìn)化和變化。

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圖2

a：行為動(dòng)物中PCx記錄位置的示意圖。
b：初次訓(xùn)練階段記錄的小鼠神經(jīng)元示例。
c：專家階段記錄的小鼠神經(jīng)元示例，展示了氣味、獎(jiǎng)勵(lì)、吸氣、速度和舔舐反應(yīng)。專家小鼠還顯示出一些新的特征：關(guān)聯(lián)性反應(yīng)神經(jīng)元和對(duì)位置的反應(yīng)。底部面板中的位置反應(yīng)根據(jù)小鼠在各位置的停留時(shí)間進(jìn)行歸一化（綠色表示小鼠的平均停留時(shí)間）。

研究結(jié)果

隨著學(xué)習(xí)的深入，小鼠PCx神經(jīng)元群體的活動(dòng)發(fā)生了顯著變化。初期，神經(jīng)元的活動(dòng)主要基于氣味信息進(jìn)行編碼，但隨著學(xué)習(xí)過程的推進(jìn)，神經(jīng)元活動(dòng)開始整合更多的非嗅覺信息，如視覺情境和獎(jiǎng)勵(lì)預(yù)期。通過主成分分析（PCA）和混合主成分分析（dPCA），研究人員發(fā)現(xiàn)，專家小鼠的神經(jīng)元活動(dòng)在氣味、情境和獎(jiǎng)勵(lì)編碼上的復(fù)雜度顯著提高，表明它們對(duì)多模態(tài)信息的解碼能力得到了極大增強(qiáng)。

在這項(xiàng)研究中，NeuroNexus 32通道神經(jīng)硅電極發(fā)揮了重要作用。不僅穩(wěn)定記錄PCx區(qū)域的神經(jīng)元活動(dòng)，而且能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)神經(jīng)元的電信號(hào)，全面反映神經(jīng)群體活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化。并提供了更全面、更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持，為后續(xù)復(fù)雜數(shù)據(jù)分析和精確結(jié)論的推導(dǎo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

相關(guān)論文信息：

Acquisition of non-olfactory encoding improves odour discrimination in olfactory cortex

Noel et al., Nature Communications| (2024) 15:5572

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