原文标题：Cortex-wide characterization of decisionmaking neural dynamics during spatial navigation
最近发表于《Nature Communications》的一项研究，利用佩戴微型头戴显微设备的宽场钙成像技术，在自由活动小鼠 8 迷宫决策任务中，系统性解析全皮层大范围时空神经活动规律，明确皮层依靠前向、后向双向传播的神经序列完成空间抉择、规则学习与奖赏反馈加工，打破固定脑区独立调控决策的传统认知，为大范围皮层协同编码认知行为提供活体在体实验证据。
一、实验方案与基础行为学结果
原文 Fig.1｜A. 小鼠头戴 mini-mScope 活体成像实拍；B. 脑组织冠状切片 GFP 免疫荧光染色结果；C.8 迷宫结构与红外传感、扬声、奖赏出液硬件布局；D. 行为三阶段模式图（塑形期 / 交替奖赏范式 / 仅左转奖赏范式）；E. 小鼠行进速度轨迹彩图；G. 迷宫均等 22 个体长分区示意图；H. 全路径分区块速度统计；I. 两种任务随训练日的决策正确率变化曲线；J. 交替、仅左转范式小鼠左转选择占比柱状统计。
研究选用 25 只 C57BL/6 小鼠分组，11 只正式受试小鼠先后经历两大任务范式：交替范式需走 8 字形折返线路方可获取蔗糖奖赏，规则切换后的仅左转范式仅左侧岔口可获得奖励，全程采用 GCaMP7f 病毒标记神经元，通过头戴 mini-mScope 设备记录背侧新皮层全域钙离子荧光信号；另有 5 只无奖励自由探索的空白小鼠作为对照，5 只 eGFP 对照组排除血流等无关信号干扰。 实验累计完成 158 次成像记录，交替范式 81 组、仅左转范式 77 组。交替任务经过前期训练，小鼠决策正确率稳定高于 80%；切换至单侧奖赏规则后，动物初期判断失误率大幅上升，经过 5 天连续学习逐步恢复原有准确率。行为统计显示，交替任务左右转向占比接近五五开（51.6%/48.4%），仅左转任务左侧选择占比升至 82.5%。研究逐一排除听觉提示、迷宫视觉标志物、机体移动速度、舔舐奖赏动作、血管血流伪迹对皮层钙信号的干扰，证实观测到的皮层活动变化由决策加工本身驱动。研究将迷宫均等划分为 22 个近似小鼠体长的分区，精准锚定岔路口（7 分区）与奖赏喷口（16 分区），实现空间位置与神经信号精准对应。
二、分脑区钙信号：不同范式正误试次皮层激活差异
原文 Fig.2｜a. 交替任务 14 个 CCF 脑区分层 ΔF/F 曲线，区分正确 / 错误试次并标注显著性 p 值；c. 仅左转范式同 14 个脑区正误试次荧光变化对比；T 代表 T 型岔口分区、S 代表奖赏喷口分区，竖线标记统计学显著区间。
依托 Allen 小鼠通用脑图谱划分 14 个关键皮层区域，对比不同条件标准化 ΔF/F 信号变化。交替规则下，正确与错误试次仅单个脑区出现统计学差异；而规则变更后的仅左转范式，正误试次间存在 7 处显著的皮层活动改变，且异常激活大多出现在小鼠抵达奖赏点位之前。该现象说明，在规则约束更强的单侧左转任务中，小鼠可更早通过皮层活动预判决策出错，躯体感觉皮层、高级视觉皮层、次级运动皮层（M2）、压后皮层（RSP）是错误预判信号的主要发生区域，错误带来的意外感官输入会提前诱发全皮层大范围调控。
三、K-means 聚类构建全皮层 9 类标准化功能状态
原文 Fig.3｜a. 小鼠抵达 T 岔口时刻全皮层 ΔF/F 时序拼接图；b. 抵达奖赏位点皮层时序激活图谱；c.11 只雌雄小鼠各自聚类得到的个体皮层状态图谱；d. 经跨鼠对齐聚类后得到 9 张全局标准皮层状态图谱，叠加艾伦脑区解剖轮廓。
研究采用三级递进 K-means 聚类算法：单次成像会话聚类→单只小鼠全数据聚类→全受试动物汇总聚类，以重构相关系数 0.85 为收敛阈值，最终凝练出 9 种跨小鼠通用皮层激活状态，单只小鼠平均自发形成 11.5±1.75 种个体化激活模式。9 类全局状态分别对应 M1/M2 运动皮层、体感分区、多区域视觉皮层、压后皮层等不同脑区组合激活模式，每一种状态代表一套全皮层协同放电特征，可量化拆解导航过程中的全局神经动态，摆脱传统单脑区切片分析的局限性。
四、受训与未受训小鼠皮层状态分布差异
原文 Fig.4｜a.9 种全局皮层状态分别随迷宫 22 分区变化的概率曲线（绿色受训鼠 / 棕色空白未训练鼠，灰色为随机空模型置信区间）；b. 受训 / 空白小鼠状态偏离基线的比值统计柱状图；c. 两组小鼠全迷宫行进速度对比折线。
空白小鼠无奖赏激励、仅自由漫游迷宫，其 9 类皮层状态沿迷宫区位的概率曲线与受训小鼠整体相关性偏低。受训小鼠关键位点出现特征性状态峰值：奖赏口（16 分区）处代表 M2 激活的 State2 概率显著抬升，T 岔口前廊道中包含视皮层与 RSP 的 State7 大幅上调。从数值上看，受训小鼠状态概率偏离随机空基线的整体比值显著高于空白组，同时受训小鼠全域移动速度整体高于未训练个体，证实后天任务学习重塑全皮层状态的空间分布规律，奖赏驱动的经验记忆改变皮层在特定区位的激活偏好。
五、皮层状态精准编码抉择、范式、错误三类决策信息
原文 Fig.5｜横向四列分组：交替任务左右转向对比、同位置左转两种范式对比、交替正误试次对比、仅左转正误试次对比；纵向 9 行对应 State1~State9 各状态概率曲线，虚线标记 Bonferroni 校正后统计学显著的迷宫分区，T、S 阴影标注岔口与奖赏区位。
通过四维度分组比对，明确 9 种皮层状态各司其职，独立编码导航中的核心决策信息。第一，左右转向选择由 State2、3、5 调控，上述状态囊括前运动皮层、顶叶与压后皮层，在 T 岔口附近出现显著概率分化，且该变化与小鼠行进速度无关；第二，任务规则（交替→仅左转）的抽象认知仅由最前端 M2 相关 State1 承载，在中央廊道起始位置特异性升高，说明次级运动皮层 M2 主导任务规则更新与顶层调控；第三，错误编码存在时序差异：交替范式错误试次在 13–14 分区提前激活含 M2 与 RSP 的 State9，仅左转范式错误在 9–10 分区即触发视觉 - 体感组合的 State5，印证单侧奖赏任务的错误预警更早发生。
六、全皮层双向信号传播：前向传感转换、后向顶层反馈
原文 Fig.6｜a. 代表性前后向传播的 2 态、3 态皮层状态转换基序；b. 分四张子图：交替正确 / 交替错误、仅左转正确 / 仅左转错误，分别绘制全前向、全后向基序沿迷宫分区概率，右下角附带受训、空白组整体偏离空模型汇总数据。
研究统计 2 态、3 态神经活化序列（神经基序），提炼全皮层两大信息流动方向：前向传播由后侧视皮层、顶叶向额叶 M1/M2 运动皮层扩散，集中分布在中央廊道、T 岔口与奖赏口，核心功能是将视觉、空间体感信息转化为肢体转向指令，支撑感觉 - 运动转换；后向传播由次级运动皮层 M2 发起，逆向向全脑后部皮层传导，在决策失误全路径、奖赏结束后、进入初始廊道三个时段概率显著提升。 正确试次中前向基序发生概率全程高于后向，错误试次两类传播概率差距大幅缩小；空白小鼠虽同样存在双向传播，但无明显区位特异性波动。从生理机制解读：前向信息流对应自下而上的感官整合与动作执行，后向信息流代表 M2 介导的自上而下奖赏复盘、内部反馈，依托过往表现更新后续决策策略。
该研究突破头部固定成像的实验局限，在自由行为活体上完整描绘全皮层协作完成空间决策的动态规律，证实决策并非单一脑区独立运作，而是依托 9 套标准化皮层状态与双向大范围信息流协同实现。前向皮层活动完成感官向动作的转化，后向反馈依托 M2 完成奖赏信息复盘与行为修正，不同任务规则、转向选择、决策正误均可通过皮层激活模式区分。研究完善了皮层大范围协同编码空间认知的生理理论，也为后续神经疾病相关导航功能损伤、靶向皮层神经调控提供在体参照范式。
所有图片与结果均来自原研究(https://doi.org/10.1038/s41467-026-71074-y)，版权归原作者及出版社所有，如有侵权，请联系本公众号删除。
全澜ARS-spike32R 产品信息
全澜 ARS-spike32R 无线 spike 记录系统专为自由行为小鼠活体神经记录量身打造，完美匹配 8 迷宫空间导航、规则切换学习、奖赏决策等经典动物行为实验，是宽场钙成像之外互补的高精度在体电生理采集优选设备。
系统搭载 32 通道独立神经信号采集，最高 30kHz 超高采样率，适配神经元锋电位、局部场电位全频段信号捕捉；采用蓝牙无线传输及最高30kHz采样率，支持本地TF卡存储与PC端实时预览/回放；具备阻抗测量、低噪声及trigger事件标记功能，可标配规格电池（续航≥1小时）。典型应用如自由移动小鼠在空间探索等认知实验范式。
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基底神经节
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