好書推薦！《動物行為實驗指南》電子版pdf，網(wǎng)盤發(fā)貨

《動物行為實驗指南》共674頁，涵蓋了常見的實驗動物，如小鼠、大鼠和斑馬魚，詳細描述了每一種行為測試的實驗設計、測試設備、實驗流程、評估指標、預期結果、常見問題及解決方法、數(shù)據(jù)分析、模型應用與局限性等各個方面。它通過快速引導，幫助研究人員高效地掌握實驗的每個階段，減少了查閱文獻和尋找方法的時間，成為各類科研人員的重要參考資料。 《動物行為實驗指南》共計收錄了16種動物行為類型，包括焦慮抑郁、學習記憶、痛覺、運動、恐懼、社交、癲癇、操作、成癮、視覺、癢覺、味覺、嗅覺、睡眠、斑馬魚行為以及常見動物模型等內(nèi)容。每一類動物行為下，都詳細介紹了多個經(jīng)典的實驗范式，涵蓋了超過100種實驗方法。 www.behaviewer.com

感官知覺需要大腦對來自身體兩側的刺激進行整合處理。然而，神經(jīng)元如何在兩個大腦半球之間綁定這些信息從而形成統(tǒng)一的感知，目前尚不清楚。

基于此，2025年5月14日，普渡大學Scott R. Pluta研究團隊在Nature neuroscience雜志發(fā)表“Bilateral integration in somatosensory cortex is controlled by behavioral relevance”，揭示了體感皮層中的雙側整合受行為相關性調(diào)控。

在這項研究中，研究人員對執(zhí)行任務的小鼠進行了大規(guī)模神經(jīng)元記錄，這些小鼠需要通過主動用胡須觸碰物體來整合來自大腦左右半球的感覺信息。當小鼠觸碰到與獎勵相關的刺激物時，它們的胡須運動表現(xiàn)出更強的雙側對稱性，同時大腦兩個半球之間的神經(jīng)元同步放電增強，神經(jīng)活動與腦電波的耦合也更加明顯。這種協(xié)調(diào)的神經(jīng)活動在沒有訓練、未接觸過相關刺激的小鼠中并不存在，這表明大腦半球之間的信息整合是一種有目標導向的內(nèi)在過程，并非單純的外部刺激反應。在初級體感皮層（S1）中，同側的觸覺輸入主要增強了對側主胡須的神經(jīng)響應。這種增強效應主要出現(xiàn)在與獎勵相關的刺激中，并且在小鼠未能做出正確反應的試驗中消失。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，當抑制大腦兩半球之間的胼胝體S1區(qū)域的信號傳遞時，雙側神經(jīng)增強和跨半球同步性顯著減弱。這項研究表明，大腦在特定行為狀態(tài)下，會通過增強胼胝體的信息流動來提升觸覺信息的整合能力。也就是說，大腦并不是被動地接收感覺信息，而是在有目標的行為中主動優(yōu)化信息處理方式。這種機制揭示了感覺整合的一個新邏輯：它是依賴于狀態(tài)和經(jīng)驗的動態(tài)過程。

圖一 雙側胡須運動對稱性反映了任務參與度和對獎勵的預期

為了揭示S1中雙側整合的神經(jīng)機制，研究人員設計了一種“Go/No-Go”任務：小鼠通過主動用胡須觸碰物體來判斷兩側物體之間的空間關系，并在識別出“Go”刺激時舔水口。每只小鼠的“Go”刺激在訓練前就被設定為同位配對或異位配對的胡須組合并在實驗過程中保持不變。由于這些刺激分別出現(xiàn)在左右兩側的胡須對上，小鼠無法僅依靠單側胡須完成任務必須進行雙側協(xié)調(diào)。試驗開始時，小鼠需在圓形跑步輪上跑動一小段距離，隨后氣動裝置將觸覺表面精確地延伸到它們胡須活動區(qū)域前方，實現(xiàn)單根胡須級別的刺激呈現(xiàn)。實驗在隔音、黑暗的環(huán)境中進行，背景播放白噪音。在任務執(zhí)行過程中，作者對小鼠雙側S1進行了高密度電生理記錄，并以高速度對每個胡須墊進行紅外成像。研究發(fā)現(xiàn)，在與獎勵相關的“Go”刺激期間，小鼠的雙側胡須運動比“No-Go”刺激期間表現(xiàn)出更高的對稱性。為了更系統(tǒng)地理解這種運動對稱性的變化，引入了一個稱為“雙側胡須對稱性”的指標，它是基于胡須對之間角度相位一致性的計算得出。結果顯示，正確拒絕試驗中的雙側胡須對稱性顯著低于命中試驗，說明小鼠在判斷刺激與獎勵無關后會有意降低雙側協(xié)調(diào)性。此外，與幼稚小鼠相比，熟練小鼠在試驗啟動前就表現(xiàn)出顯著更高的雙側胡須對稱性，表明運動對稱性是一種為雙側辨別服務的主動策略。為了探究雙側胡須對稱性的變化是源于任務本身的雙側結構還是僅僅反映對獎勵的期待，研究人員觀察了那些建立了觸碰-獎勵聯(lián)系但并不執(zhí)行雙側辨別的小鼠，發(fā)現(xiàn)它們的雙側胡須對稱性顯著更低。盡管存在這些有目標導向的運動變化，但在所有條件下，主動觸碰的強度是一致的。這些數(shù)據(jù)表明，雙側胡須對稱性是由對獎勵的期待和積極參與雙側辨別共同驅(qū)動的。

圖二 在與獎勵相關的主動觸碰過程中，S1神經(jīng)元中出現(xiàn)雙側整合現(xiàn)象

為了研究行為相關性對S1神經(jīng)元雙側整合的影響，研究人員將神經(jīng)元放電活動與主動觸碰的起始時間對齊。這種方法使他們能夠?qū)⑸窠?jīng)元的發(fā)放率與一個基本的刺激特征聯(lián)系起來。為了確定每個神經(jīng)元對應的“主胡須”，實驗中定期給小鼠呈現(xiàn)單根胡須刺激，這種刺激不影響任務表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，只有在雙側刺激與獎勵相關時，同側的觸碰才會增強S1神經(jīng)元對主胡須刺激的反應。為了量化這一現(xiàn)象，研究人員計算了一個雙側整合指數(shù)，該指數(shù)基于主胡須響應與雙側響應之間的歸一化差異。在熟練小鼠中，S1神經(jīng)元對各自對應的“Go”刺激表現(xiàn)出顯著更強的雙側增強效應，而對“No-Go”刺激則沒有這種增強。而在未接受訓練的小鼠中，無論刺激如何配置，S1神經(jīng)元群體都沒有表現(xiàn)出明顯的雙側整合。此外，在熟練小鼠中，表現(xiàn)出顯著雙側增強效應的神經(jīng)元比例翻倍，其中78%的S1神經(jīng)元更偏好雙側觸碰而非單側主胡須觸碰。重要的是，在那些期待獎勵但并不執(zhí)行雙側辨別的小鼠中，S1神經(jīng)元也未表現(xiàn)出顯著的雙側整合。這表明，雙側整合是由行為相關性調(diào)控的，而不是單純的感官輸入或獎勵預期本身。進一步分析顯示，這種雙側增強效應不能用雙側觸碰之間的時間間隔或試驗中總觸碰次數(shù)的差異來解釋。然而，當同側觸碰早于對側觸碰超過12毫秒時，雙側增強效應減弱，說明同側促進作用存在一個有限的時間窗口。在與獎勵相關的刺激條件下，隨著皮層層級加深，雙側整合逐漸增強，這是由于雙側促進的可能性增加、抑制的可能性減少所致。而在未接受訓練的動物中，這種變化趨勢并不存在。此外，無論是潛在的錐體細胞還是快速放電的中間神經(jīng)元，它們在雙側整合的表現(xiàn)上沒有明顯差異。盡管任務不要求小鼠區(qū)分單側和雙側刺激，研究人員仍比較了HM（同位配對）和HT（異位配對）刺激下S1神經(jīng)元的響應。結果顯示，在熟練小鼠中，當對比具有相同對側胡須的HM和HT刺激時，S1神經(jīng)元更傾向于響應與獎勵相關的雙側刺激；熟練小鼠中對單側同側觸碰有顯著響應的神經(jīng)元比例幾乎是na?ve小鼠的兩倍，說明通過學習S1神經(jīng)元增強了對同側信息的整合能力。

圖三 S1神經(jīng)元的雙側整合受任務表現(xiàn)的調(diào)節(jié)

作者假設如果存在一種內(nèi)部機制動態(tài)控制S1中的雙側整合，那么在熟練小鼠任務執(zhí)行錯誤的試驗中這種機制會發(fā)生改變。首先分析了Miss試驗，這類試驗通常發(fā)生在實驗接近尾聲時此時的小鼠可能更接近飽足狀態(tài)，參與度較低。作者僅納入那些完成了至少100次與Miss相關的觸碰試驗的小鼠進行分析。盡管小鼠在Miss試驗中保持了相似的胡須運動和觸碰動作，但在大量S1神經(jīng)元中雙側觸碰反應發(fā)生了顯著變化，最常見的變化是雙側增強效應減弱。接著分析了False Alarm試驗，這類試驗多出現(xiàn)在實驗初期，此時小鼠更渴望獲得水獎勵。作者也僅分析完成了至少100次FA相關觸碰的小鼠。在FA試驗中，小鼠表現(xiàn)出更高的雙側胡須對稱性，這可能反映了它們對獎勵的更高預期，但主動觸碰的強度并未改變。在大多數(shù)S1神經(jīng)元中，雙側觸碰反應也發(fā)生了顯著變化，其中最常見的是雙側增強效應增加。綜上所述，這些結果揭示了在大量S1神經(jīng)元中，雙側整合的程度與任務表現(xiàn)密切相關，表明這種整合是一種受內(nèi)部狀態(tài)調(diào)控的動態(tài)過程，并不僅僅依賴于外部刺激本身。

總結

總的來說，這項研究為S1中雙側整合的機制提供了新的見解，并挑戰(zhàn)了長期以來關于刺激競爭的模型。本研究的基礎是一種創(chuàng)新的行為范式，其中未受指令的運動行為可以反映任務的參與度和對獎勵的預期。最重要的是，作者發(fā)現(xiàn)主動參與雙側協(xié)調(diào)會使體感皮層從兩個獨立的側化回路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€統(tǒng)一的整體表征。未來的研究將聚焦于解析控制雙側感知狀態(tài)依賴性邏輯的多種神經(jīng)回路和細胞類型。

文章來源

https://doi.org/10.1101/2024.05.28.596311