Science：一斑窺全豹，突觸見全貌！德國科學家揭示丘腦激活視覺皮層的微觀機制

我們眼睛看到的世界，明明是連續、清晰、有方向的畫面，可大腦最開始接收到的視覺信號，其實只是零散、簡單的光點。我們之所以能立刻分辨出物體是往左動、往右動、是線條還是輪廓，靠的是大腦里一套精密的視覺環路。

早在幾十年前，科學家就提出了經典理論：外界視覺信號先經過丘腦傳遞到大腦初級視覺皮層，再通過特定的空間排列，讓神經元對某個方向產生優先反應。但這個過程究竟是怎么在細胞和突觸上實現的，一直缺少直接、清晰的實驗證據。

基于此，2026年3月26日，慕尼黑工業大學Arthur Konnerth研究團隊在Science雜志發表了“Thalamic activation of the visual cortex at the single-synapse level”揭示了單突觸水平上的丘腦對視覺皮層的激活。

作者研究了哺乳動物初級視覺皮層（V1）中方向選擇性形成的丘腦-皮層神經計算機制。他們利用雙光子谷氨酸成像和光遺傳學皮層沉默技術對小鼠V1 第 4 層神經元的丘腦-皮層突觸進行了鑒定與分析。結果發現，接收丘腦輸入的樹突棘沒有突觸后鈣離子信號，而接收皮層間輸入的樹突棘則不存在這一特點。該研究直接揭示了對皮層信息處理和可塑性至關重要的特殊突觸性質。

圖一 針對方向調諧L4神經元突觸輸入的雙光子Ca2+成像

作者設計了一套多步驟實驗方法，在活體小鼠中研究初級視皮層V1第4層方向調諧錐體神經元上由視覺刺激激活的突觸輸入：先利用鈣指示劑Cal?520對該腦區進行群體鈣成像，篩選出對特定方向漂移光柵敏感的方向調諧錐體神經元，再通過質粒轉染使其稀疏表達jGCaMP7b，實現單個神經元及其樹突棘的高信噪比標記，隨后用雙光子鈣成像記錄單突觸活動；

結果顯示，標記神經元的胞體、樹突與樹突棘均能產生穩定的鈣熒光信號，方向調諧特性可保持至少一個月，視覺刺激可在樹突棘上誘發明顯的鈣瞬變，且每個輸入都對應特定的視覺方向，在所有記錄樣本中均呈現一致的方向偏好性；這些第4層樹突棘輸入大多具有高度方向選擇性，方向選擇性指數中值為0.56，與第2/3層神經元的皮層間輸入類似，同時未觀察到典型背外側膝狀體神經元帶來的廣譜響應鈣信號，僅少量低選擇性輸入與兔子中方向選擇性的背外側膝狀體神經元特征相近。

圖二 皮層與丘腦輸入的不同響應

為驗證假設，研究者用雙光子谷氨酸成像結合皮層沉默技術，在單個突觸水平區分了兩種輸入：一類是皮層輸入，方向選擇性強，抑制皮層后信號消失；另一類是丘腦輸入，方向不敏感，不受皮層抑制影響。

他們進一步在同一神經元上同時記錄谷氨酸和鈣信號，發現皮層輸入能引發明顯鈣反應，而丘腦輸入幾乎不產生鈣信號，這也解釋了之前只做鈣成像時為何沒觀察到丘腦輸入。

圖三 丘腦感受野的空間排列特征

Hubel 和 Wiesel 前饋模型認為，背外側膝狀體的感受野排列，能讓優勢方向刺激幾乎同時激活丘腦神經元，但連接到同一個方向調諧第 4 層神經元的所有背外側膝狀體神經元，其感受野是如何排列的。

作者用改進的谷氨酸傳感器做單突觸記錄，結合漂移條刺激和參數擬合，精確算出了單個丘腦皮層輸入的感受野位置（這種方法不受感受野結構、視覺反應線性度影響）。

實驗發現，所有丘腦輸入的感受野中心都集中在視野的一小塊區域；開、關中心位置大多分開，形成獨立且沿某一優先軸拉長的區域，拉長程度比之前觀察到的更明顯。

進一步分析顯示，沿神經元優先方向，開、關感受野的投影更集中，重疊率約 20%；沿正交方向投影更分散，重疊率超 80%，且所有測試神經元的感受野對齊角度，和其優先方向幾乎一致，符合前饋模型預測。

總結

本研究在單突觸水平解析丘腦對視覺皮層的激活機制，為Hubel?Wiesel經典前饋模型提供了直接實驗證據，明確了視覺信息從丘腦到皮層的精確輸入排布與感受野空間結構，深化了對視覺方向選擇性起源的認識，為解析皮層環路、視覺信息編碼與神經計算提供了重要實驗基礎。

文章來源：

DOI: 10.1126/science.aec9923

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