微型化雙光子技術助力揭示小鼠S1BF神經(jīng)元在不同行為中的活動模式

體感桶狀皮層（S1BF）是處理觸須感覺信息的關鍵初級皮層區(qū)域，與小鼠觸須陣列呈現(xiàn)精確的點對點拓撲對應關系。在自我梳理和探索性擺須運動中的感覺感知與感覺運動反饋中起關鍵作用。然而，在單細胞活動水平上，S1BF是否以及如何以不同的神經(jīng)元活動模式來分別參與自我梳理（主要由外部感覺觸發(fā)）和主動觸須擺動（由內(nèi)部動機驅動），仍不明確。

2026年1月16日，空軍軍醫(yī)大學王文挺教授、武勝昔教授，中山大學臧穎副教授共同通訊在Neuroscience Bulletin在線發(fā)表題為“Diverse Neuronal Activity in Barrel Cortex During Self‑Grooming and Whisking in Mice”的研究論文，揭示了小鼠體感桶狀皮層神經(jīng)元在自我梳理與觸須擺動中的差異化活動模式。
在環(huán)境探索過程中，小鼠通過擺動觸須來作為一種主動感覺行為，其中觸須與物體之間的機械作用會在毛囊內(nèi)產(chǎn)生應力，并轉化為神經(jīng)信號，該過程依賴于S1BF對運動信號與感覺信號的整合，能夠實現(xiàn)對觸覺特征（如質地和物體定位）的計算，從而根據(jù)行為環(huán)境調(diào)整觸須運動策略。與探索行為中觀察到的自發(fā)擺動不同，自我梳理行為主要由外部刺激觸發(fā)，導致重復的口面部運動從而產(chǎn)生新的感官體驗，而該反饋回路的中斷可導致刻板性自我梳理行為，這在強迫癥、自閉癥及焦慮障礙的動物模型中常見。

盡管S1BF的感覺運動處理機制同時支撐著觸須擺動和自我梳理行為，但目前尚不清楚這兩種行為中單個神經(jīng)元（或細胞群）是否會呈現(xiàn)不同的激活模式。為解決這一問題，研究人員采用了超維景生物的微型化雙光子成像技術在自由活動小鼠中以單細胞分辨率記錄鈣瞬變。通過分析S1BF在自我梳理和觸須擺動期間的神經(jīng)元激活特征，系統(tǒng)表征了不同細胞類型的響應動態(tài)，并繪制了其在大腦皮層中的空間分布圖譜。該方法使研究人員解析了S1BF如何在兩種功能迥異的行為中差異性地處理感覺運動信息。 首先，研究人員通過c-Fos染色與光纖記錄技術，證實S1BF在自我梳理行為中被顯著激活。進一步采用微型雙光子成像技術（FHIRM）監(jiān)測鈣瞬變，根據(jù)其行為特異性激活模式鑒定出四種不同神經(jīng)元類型：自我梳理起始激活型（GIA，cells activated at the initiation of self-grooming）、自我梳理持續(xù)激活型（GDA，cells activated during self-grooming）、觸須擺動起始激活型（WIA，activated at whisking initiation）和觸須擺動持續(xù)激活型（WDA，activated during whisking）。
進一步分析發(fā)現(xiàn)，GIA細胞在自我梳理行為啟動階段表現(xiàn)出顯著的鈣活性增強，其增強幅度顯著高于觸須擺動啟動階段；在觸須擺動啟動階段未顯示鈣活性的顯著變化，也未發(fā)現(xiàn)自我梳理期間或觸須擺動期間存在顯著的神經(jīng)激活，且兩種行為間的鈣瞬變頻率亦無明顯差異。 GDA 細胞在自我梳理啟動階段或觸須擺動啟動階段均未表現(xiàn)出鈣活性的顯著變化，而自我梳理和觸須擺動期間均表現(xiàn)激活。綜合結果表明：GIA細胞特異性參與自梳行為的啟動階段，而 GDA 細胞在自梳與觸須擺動期間均被激活。  
進一步分析WDA 細胞和 WIA 細胞的激活模式，發(fā)現(xiàn)WIA 細胞在自我梳理毛行為的起始階段表現(xiàn)出顯著的激活，而在自我梳理行為的起始階段則未觀察到明顯的活動變化。WDA 細胞在自我梳理過程中也未顯示出顯著的鈣激活事件頻率變化，而在探索行為的起始階段表現(xiàn)出顯著的鈣活動增加，在自我梳理行為的起始階段則觀察到顯著的減少。這些發(fā)現(xiàn)表明，自我梳理激活細胞（WDA 和 WIA 細胞）可能僅參與自我梳理過程，并且其活動在自我梳理時會減弱。  
此外，對S1BF中GIA、 GDA 、WIA及 WDA 細胞的拓撲分布特征分析表明，WDA 、WIA和GIA細胞群與 GDA 細胞的最鄰近距離（nearest-neighbor，NN），與 GDA 細胞群體內(nèi)部的NN距離相比無顯著差異。這表明就空間分布特征而言，以 GDA 細胞群為參照時，其他三個細胞群可視為與 GDA 細胞同屬的細胞群。再以GIA、 WDA 和WIA細胞為參照進行NN距離計算，所有情況下均獲得相似結果。這表明，4類神經(jīng)元在皮層內(nèi)呈均勻隨機分布，并未形成空間分離的功能亞區(qū)。
【參考文獻】
Ge, Junye et al. “Diverse Neuronal Activity in Barrel Cortex During Self-Grooming and Whisking in Mice.” Neuroscience bulletin, 10.1007/s12264-025-01583-1. 16 Jan. 2026, doi:10.1007/s12264-025-01583-1