华人一作，60年前诺奖理论终获直接验证！《Science》在单突触水平证实大脑视觉信息处理的前馈模型

在个体突触层面上解析丘脑皮层（TC）的激活情况对于理解大脑如何处理感官信息至关重要。

2026年3月26日，慕尼黑工业大学Arthur Konnerth团队（Yang Chen为第一作者）在

Science

在线发表题为

“Thalamic activation of the visual cortex at the single-synapse level”

的研究论文，该研究探索了哺乳动物初级视觉皮层（V1）中方向选择性出现背后的丘脑皮层计算机制。

通过在体内使用双光子谷氨酸成像和光遗传学皮层抑制技术，该研究识别并描述了投射到小鼠 V1 第 4 层神经元上的丘脑皮层突触。该研究发现，丘脑接收端突触缺乏突触后钙信号，而皮层-皮层接收端突触则没有这种现象。总之，该研究直接验证了Hubel 及Wiesel的前馈模型的核心预测，并揭示了对大脑计算和可塑性至关重要的独特突触特性。

哺乳动物初级视觉皮层（V1）中的神经元对特定方向的视觉刺激具有高度的辨别能力。这种方向选择性在丘脑输入接收层 4（L4）的神经元中体现出来，这些神经元通过处理来自上游丘脑背外侧膝状体核（dorsal lateral geniculate nucleus，dLGN）神经元的输入信号实现这一过程，而这些神经元对空间方向不敏感。1962年，Hubel及Wiesel （David Hubel和Torsten Wiesel于1981年获得诺贝尔生理学或医学奖，获奖主要原因就是奖励他们在视觉系统中的信息加工中做出的重大贡献）用一个简单的模型解释了这种方向选择性，该模型认为，皮层神经元接收来自丘脑神经元的输入，而这些丘脑神经元的感受野在视觉场中是相互对齐的。

与偏好方向相对应的视觉刺激会同时激活这组 dLGN 神经元，从而在输入接收的皮层神经元中产生快速且强烈的反应。相比之下，与之垂直的视觉刺激会依次激活 dLGN 神经元，导致皮层神经元的突触反应较小且持续时间更长。这一模型得到了精妙且具有挑战性的细胞研究的有力支持。

由于其在基因操作方面的高度可塑性，小鼠 V1 成为了研究哺乳动物视觉生理学的细胞和突触机制的主导模型系统。然而，小鼠 V1 在几个重要方面与其他哺乳动物（如灵长类动物和猫）有所不同。一个备受争议的问题是，非典型、方向调谐的dLGN神经元是否对决定了 L4 中的方向调谐。

对具有方向选择性的 L4 神经元的突触输入进行双光子钙离子成像（图源自

Science

）

单个神经元的突触活动记录与光遗传学皮层抑制相结合的结果与 H&W 模型一致，在该模型中，L4 神经元主要与未调谐的典型丘脑神经元相连。相比之下，对 L4 中 dLGN 神经轴突进行的双光子钙离子成像报告称，驱动 L4 神经元的主要是方向调谐的输入。此外，在 dLGN 的细胞外记录显示，方向调谐和非选择性神经元有显著的混合。要解决这一差异，需要在视觉刺激下直接监测方向调谐的 L4 神经元的个体丘脑-皮层（TC）突触活动。

小鼠初级视觉皮层中方向选择性的突触基础是什么？为了解决这个问题，该研究结合了对具有方向特异性的皮层第 4 层神经元的成像、基因编码生物传感器的单细胞表达、单突触钙离子和谷氨酸成像、光遗传学抑制以及单细胞引发的狂犬病毒追踪技术。该研究发现，初级视觉皮层中第 4 层具有方向特异性的神经元接收来自典型、非方向特异性的神经元的丘脑输入。

相比之下，皮层-皮层突触输入大多是方向特异性的。作者构建了活跃的丘脑与大脑中特定感觉刺激所调谐的皮层神经元之间连接的功能线路图。这些结果为Hubel及Wiesel最初提出的模型提供了有力的支持，即在视觉皮层中的方向调谐是由视网膜上的 ON 和 OFF 丘脑感受野的空间偏移所决定的。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec9923