近日，《自然-通訊》（Nature Communications）期刊在線發表了題為《眶額葉皮層通過調節初級視皮層的反應增益促進視覺偶聯學習》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室姚海珊研究組完成，博士研究生劉德陳為第一作者。
早期對眶額葉皮層(Orbitofrontal cortex ,OFC)功能的認識來源於腦損傷的病人。一個著名的例子是19世紀的鐵路工人菲尼亞斯·蓋奇，在一次事故中他的頭部被一根鐵棍穿過，損傷了包括OFC在內的前額葉皮層，他雖然活了下來，但是性格卻變得固執、任性、反覆無常。在靈長類和嚙齒類的實驗發現，OFC在靈活行為和學習行為中發揮關鍵作用。在刺激-獎勵偶聯的行為中，OFC神經元編碼獎勵預期或刺激的預期價值。OFC編碼的獎勵預期信號能傳遞到其它與學習和獎勵行為有關的腦區，包括基底外側杏仁核、腹側被蓋區和紋狀體。最近嚙齒類的皮層連接圖譜研究發現，OFC神經元向感覺皮層（包括初級視皮層V1）有反饋投射。但是，該反饋投射具有什麼功能還知之甚少。
研究團隊發現，光遺傳激活OFC投向V1的纖維能夠降低V1神經元對視覺刺激的反應幅度，但不影響方位選擇性。隨後的腦片電生理和在體光纖記錄實驗發現，OFC反饋投射通過激活V1的SST抑制性神經元降低V1反應幅度。研究人員推測，OFC對V1的反饋投射可能起到過濾任務無關刺激的作用。為了研究該投射在視覺行為中的作用，研究人員訓練小鼠進行Go/No-Go視覺任務。在Go刺激出現後，小鼠可以獲得水作為獎勵；在No-Go刺激出現後，沒有獎勵也沒有懲罰。在行為訓練的過程中，小鼠逐漸學會在No-Go刺激出現後不舔水。在小鼠的V1進行電生理記錄發現，V1神經元對No-Go刺激的反應受到獎勵預期的調節，在預期正確情況下的放電率低於預期錯誤的情況下，該調節作用由OFC向V1的反饋投射介導。通過光遺傳標記技術，發現投向V1的OFC神經元通過降低放電率的方式編碼獎勵預期信號，與V1神經元相反。進一步的實驗表明，在No-Go刺激出現時抑制OFC向V1投射的活動能夠減慢小鼠的視覺學習速率，而光遺傳激活V1的SST抑制性神經元能夠提高小鼠的學習速率。因此，該項工作表明，OFC向V1的投射能夠調節V1神經元對獎勵無關刺激的反應，通過改變刺激的顯著性來易化視覺偶聯學習。
該研究在研究員姚海珊的指導下，主要由博士研究生劉德陳完成，研究員孫衍剛和楊天明參與合作並給予指導意見，孫衍剛組的鄧娟、楊天明組的張哲偉、姚海珊組的張治宇也做出了重要貢獻。本工作得到國家自然科學基金委員會、中科院和上海市政府的資助。
圖註：A. 在刺激-獎勵偶聯行為中，OFC神經元的獎勵預期信號通過反饋投射到V1，使得V1神經元對視覺刺激的反應受到獎勵預期的調節。B. 抑制OFC向V1投射的活動，減慢視覺偶聯學習。C. OFC的獎勵預期信號對V1視覺反應的調節，改變了視覺刺激的顯著度；V1視覺反應的變化，有助於OFC獎勵預期信號的更新，從而促進學習
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16609-7