《Nature Communications》：Nested spatiotemporal theta–gamma waves organize hierarchical processing across the mouse visual cortex
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本研究针对视觉信息跨尺度整合机制不明确的问题，通过Neuropixels记录技术分析小鼠视觉皮层在变化检测任务中的神经活动，发现θ波形成可双向切换的传播波调控局部γ活动与神经元放电的嵌套结构。该时空编码机制解释了自上而下与自下而上信息在视觉层级系统中的多路传输原理，为理解脑区协同处理动态信息提供了新范式。
大脑如同一个精密的交响乐团，需要同时处理不同时空尺度的信息——从毫秒级的神经元放电到秒级的认知过程。视觉系统尤其如此，它必须在瞬息万变的视觉场景中，同时完成特征提取、物体识别和行为决策等多层级处理。然而，这些跨尺度信息是如何被协调组织的，一直是神经科学领域的核心难题。传统研究多聚焦于单一频段或脑区的活动，对于全脑尺度的动态协同机制认识有限。正是在这样的背景下，研究人员通过高精度神经信号记录技术，揭开了大脑跨层级信息协调的神秘面纱。
研究团队主要运用了以下关键技术：通过Neuropixels多电极阵列同步记录小鼠视觉皮层多个脑区的神经信号；采用视觉变化检测任务诱发分层处理过程；利用相位锁定分析量化θ-γ跨频耦合关系；结合层析标记和脑区定位技术明确信号来源。
θ波形成双向传播的时空框架
通过分析视觉任务期间的皮层活动，研究人员发现低频θ节律会形成大范围传播的脑波。这些波最显著的特征是其传播方向会随着刺激呈现状态灵活切换：刺激出现时，θ波呈现自上而下的传播模式，从深层皮层向浅层皮层、从高级视觉区向低级视觉区传递；而在刺激消失后，波传播方向完全逆转，转为自下而上的模式。这种非平稳的θ波动态能够预测小鼠对刺激内容变化的行为反应，表明其与认知处理过程直接相关。
γ活动的局部化特征
与θ波的广泛传播形成鲜明对比，高频γ活动表现为短暂且空间局域化的活动包。这些γ包在刺激出现时会变得更为锐化，提示其可能参与局部神经环路的精细处理。特别值得注意的是，γ活动的强度在视觉层级的不同阶段呈现梯度变化，初级视觉区表现出最强的γ活动，而高级视觉区则相对较弱。
跨频耦合的层级组织规律
研究突破了传统跨频耦合分析的限制，首次证实γ活动包和神经元放电均被相位锁定在传播的θ波上。这种耦合关系呈现出系统性的梯度变化——在皮层深度维度上，从表层到深层γ-θ耦合强度逐渐增强；在脑区层级维度上，从初级视觉区到高级视觉区，神经元放电与θ波的相位关系发生规律性偏移。这种精确的时空组织为不同层级脑区的信息交换提供了协调框架。
θ-γ嵌套编码的行为意义
进一步分析显示，θ波传播方向与γ活动局部化的协同变化，共同构成了一个能够同时传递自下而上感觉信息和自上而下认知信息的神经编码系统。当动物需要检测视觉变化时，这种嵌套结构会加强，说明其直接支持适应性行为。通过计算建模验证，这种时空编码机制能够有效提升神经网络处理动态视觉信息的鲁棒性。
这项研究揭示了大脑通过嵌套的时空节律波来组织层级信息处理的新机制。θ波构成的宏观时空框架与γ活动代表的局部处理通过精确的相位耦合实现协同，形成了一种多路复用的神经编码方案。该发现不仅解释了不同尺度神经活动如何协调这一基本科学问题，更为理解脑疾病中神经振荡异常与认知功能障碍的关联提供了新视角。由于该机制可能普遍存在于多种认知过程，未来或可启发新型脑机接口和人工智能算法的设计。论文发表于《Nature Communications》期刊，为系统神经科学领域树立了新的里程碑。
