重大突破

　　近日，依托中科院苏州医工所自主研制国产先进双光子显微镜，由三名中国青年学者带领中、以、德、英多个研究组组成的联合攻关团队在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊在线发表论文“Single-neuron representation of learned complex sounds in the auditory cortex”。该工作在大脑皮层发现了一种全新功能特征的细胞，该细胞在学习后呈现出特殊放电活动模式，称为“整全性簇放”（Holistic Bursting，简写为HB），因此将该细胞命名为HB细胞。

　　通过一项极富挑战性的实验，在清醒小鼠的大脑皮层同步实施高精度的双光子钙成像和单细胞电生理记录，研究者们发现小鼠的听觉皮层第2、3层中存在稀疏分布的神经元，每一个神经元都稳定地对训练过的复杂声音刺激呈现出一种特殊模式的簇状脉冲高频发放反应（burst firing，瞬间发放频率约100 Hz，持续时间100-250 ms）。这种特殊的簇状神经放电响应模式在未经训练的小鼠听觉皮层中几乎不存在。长期持续成像记录揭示出，产生这样的的簇状脉冲高频发放反应是在学习过程中涌现出来的特性，并且只在小比例（约5%）的神经元中发生。

　　研究者们特别发现，小鼠可以被不同组分的和弦（chord）声音训练，训练后在响应声音刺激的行为方面体现出一种整全的特性，暨对该训练过的和弦声音产生很稳定的行为响应，而对用同等音强播放的组分纯音（constituent pure tone）很少产生行为响应。令人惊奇的是，在这样受过和弦声音训练的小鼠听觉皮层发现了上述具有簇状神经放电响应模式的神经元，其只对训练过的某个特定和弦声音刺激稳定可靠的呈现出簇状神经放电响应，而对其他的和弦或者组分纯音刺激则不响应，或者不可靠的呈现单个发放响应。这种具有“整全性簇放”特性的神经元（即HB细胞）虽然只占听觉皮层第2、3层全体神经元中很小比例（约5%），但它们的存在，却使得皮层神经元群体对训练过的和弦声音的辨识解码准确率达到100%。而若它们不存在，余下的神经元群体的解码准确率虽然随着神经元数目的增多而提高，但在同样条件下无论如何也达不到100%。

　　值得强调的是，神经科学家们在过去几十年里陆续发现了多种与大脑认知功能相关的神经元，例如视觉方向选择性细胞（D. Hubel 和T. N. Wiesel获得1981年诺贝尔医学生理学奖）、位置细胞和网格细胞（J. O'Keefe、 M. B. Moser 和E. I. Moser获得2014年诺贝尔医学生理学奖）、记忆痕迹细胞（S. Tonegawa，此前由免疫学贡献获得1987年诺贝尔医学生理学奖）等，这些各种细胞共同参与构成了大脑的认知图谱（Cognitive Map）的基础。而本次研究发现的HB细胞可能亦是大脑认知图谱的关键基础之一，揭示了大脑皮层单个神经元在学习过程中可以将复杂事物作为一个整体来编码，而不是基于它们各成分的叠加，有趣的呼应了亚里士多德等古希腊哲学家曾经提出过的认知理论观点：“整体大于部分之和”。

　　本研究由来自4个国家的26名多学科交叉研究者团队联合攻关完成，并在致谢中提到了全球多名神经科学和物理学领域学者的帮助。陆军军医大学汪萌博士为该论文第一作者，博士研究生李瑞杰、梁珊珊共同第一作者。重庆大学廖祥、中科院苏州医工所贾宏博、以及陆军军医大学谌小维为共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金委、科技部等经费资助完成。研究团队多名骨干成员曾受训于我国生物医学光子学领域的顶尖教育科研机构——华中科技大学武汉光电国家实验室。研究使用的核心实验装置为中科院苏州医工所在国家级重大科学仪器研制计划支持下成功研制、同型产品实现出口销售的双光子-电生理联合系统，充分展现了国产先进科学仪器在支持原创科学发现方面的巨大推动效应。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18142-z