视觉感知与运动协调的神经机制研究

学术背景

在日常生活中，动物需要区分由外部环境引起的感官体验和由自身运动引起的感官体验。这一区分对于准确的感知和运动控制至关重要。然而，行为的多样性和其对感官的复杂影响使得这一任务极具挑战性。尤其是在视觉系统中，动物的运动（如眼球扫视、行走或瞳孔变化）会导致视觉图像的模糊或失真，这种现象被称为“自我运动引起的视觉扰动”（reafferent signals）。为了维持感知的连贯性，大脑需要一种机制来补偿这些扰动，这种机制通常被称为“运动命令的副本”或“伴随放电”（corollary discharge, CD）。

伴随放电机制在多个物种中已被广泛研究，尤其是在灵长类动物的眼球扫视抑制中。然而，对于其他类型的运动（如行走或瞳孔变化）如何影响视觉处理，以及这些信号如何在神经系统中整合和传递，仍然存在许多未解之谜。本研究旨在揭示大脑中一个关键的神经结构——腹侧外侧膝状体（ventral lateral geniculate nucleus, vlGN）在这一过程中的作用，特别是它如何通过一个“中心-辐射”网络（hub-and-spoke network）协调视觉和运动信号，从而实现运动中的视觉感知。

论文来源

本论文由Tomas Vega-Zuniga、Anton Sumser、Olga Symonova、Peter Koppensteiner、Florian H. Schmidt和Maximilian Joesch共同完成，他们来自奥地利科学技术研究所（Institute of Science and Technology Austria）。该论文于2025年发表在《Nature Neuroscience》期刊上，DOI为10.1038/s41593-025-01874-w。

研究流程与结果

1. vlGN作为感觉和运动信号的整合中心

研究首先通过解剖学和生理学实验确定了vlGN在视觉和运动信号整合中的核心地位。vlGN主要包含抑制性神经元，并与多个感觉和运动相关脑区有广泛的连接。研究团队使用病毒载体进行逆行和顺行标记，发现vlGN不仅接收来自视网膜的输入，还接收来自皮层和多个运动相关脑区的输入。这些输入包括与情绪、认知控制和运动协调相关的区域，如红核（red nucleus）和巨细胞网状核（gigantocellular reticular nucleus）。

为了验证vlGN对视觉处理的调节作用，研究团队在清醒小鼠中进行了电生理记录和光遗传学实验。通过在vlGN中表达光敏感蛋白（channelrhodopsin-2, ChR2），研究人员发现vlGN的激活能够显著抑制上丘浅层（superficial superior colliculus, sSC）的视觉响应，表明vlGN通过抑制性投射调节早期视觉处理。

2. vlGN在行为中的动态调节

接下来，研究团队通过钙成像技术记录了vlGN轴突末梢在小鼠上丘中的活动。结果显示，vlGN末梢的活动与多种行为（如扫视、行走和瞳孔扩张）密切相关。特别是在视觉刺激期间，vlGN末梢的活动表现出对高频亮度调制和向前运动的强烈响应，这些响应与动物在自然环境中向前行走时的视觉输入一致。

研究人员还通过光遗传学激活vlGN，观察到了小鼠的纠正性运动行为，如眼球扫视、瞳孔扩张和行走方向的改变。这些结果表明，vlGN不仅调节视觉信号，还通过广泛投射到多个运动相关脑区，协调感觉和运动的实时转换。

3. vlGN在视觉感知中的关键作用

为了进一步验证vlGN在视觉感知中的作用，研究团队在小鼠中进行了视觉悬崖实验（visual cliff paradigm）。通过在小鼠vlGN中表达破伤风毒素轻链（tetanus toxin light chain, TeLC）以阻断其输出，研究人员发现这些小鼠在判断深度时表现出明显的缺陷。与对照组相比，vlGN被阻断的小鼠更少避免悬崖边缘，表明它们在运动中的视觉感知能力受到了损害。

此外，研究人员还发现，vlGN的阻断导致小鼠在扫视期间视觉模糊的补偿机制失效，进一步证实了vlGN在运动引起的视觉扰动中的关键作用。

结论与意义

本研究发现，vlGN作为一个“中心-辐射”网络的核心节点，通过整合视觉和运动信号，协调运动中的视觉感知。vlGN不仅通过抑制性投射调节早期视觉处理，还通过广泛投射到多个运动相关脑区，实时调整感觉和运动的转换。这一发现揭示了vlGN在维持感知稳定性和运动协调中的重要作用，为理解视觉感知和运动控制的神经机制提供了新的视角。

研究亮点

1. vlGN作为视觉和运动信号的整合中心：研究首次揭示了vlGN在整合视觉和运动信号中的核心地位，特别是在运动引起的视觉扰动中的调节作用。
2. “中心-辐射”网络的作用：vlGN通过广泛投射到多个脑区，形成了一个分布式的反馈控制系统，实时协调感觉和运动的转换。
3. 光遗传学和钙成像技术的应用：研究团队通过光遗传学和钙成像技术，实时记录了vlGN在小鼠行为中的动态活动，为理解其功能提供了直接证据。
4. 视觉感知的行为验证：通过视觉悬崖实验和扫视抑制实验，研究团队验证了vlGN在运动中的视觉感知中的关键作用。

其他有价值的信息

本研究的发现不仅对理解视觉感知和运动控制的神经机制具有重要意义，还为相关疾病的治疗提供了潜在靶点。例如，某些视觉感知障碍或运动协调障碍可能与vlGN功能的异常有关。未来的研究可以进一步探索vlGN在不同行为状态下的动态调节机制，以及其在其他感官系统中的作用。

本研究通过多学科的技术手段，揭示了vlGN在视觉感知和运动协调中的关键作用，为神经科学领域提供了重要的理论和实验依据。