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(jué)皮層（PCx）。研究人員探索了在學(xué)習(xí)過(guò)程中，如何通過(guò)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(jué)情境相結(jié)合，為理解嗅覺(jué)皮層的神經(jīng)編碼機(jī)制打開(kāi)了全新的大門。

    實(shí)驗(yàn)通過(guò)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(jué)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。

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(jué)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(guó)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(guò)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(guò)程中如何不斷進(jìn)化和變化。

圖2

a：行為動(dòng)物中PCx記錄位置的示意圖。
b：首次訓(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(guò)程的推進(jìn)，神經(jīng)元活動(dòng)開(kāi)始整合更多的非嗅覺(jué)信息，如視覺(jué)情境和獎(jiǎng)勵(lì)預(yù)期。通過(guò)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

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49897-4