2026年1月，《自然-神经科学》发表的一项研究，通过分析清醒小鼠前额叶皮层超过24,000个神经元的自发活动和任务相关调谐，发现基于细胞构筑的传统分区无法准确反映功能组织。取而代之的是一幅由连接组层级塑造的动态图景：低发放率、规则放电是前额叶与高层级的共同标志，而决策相关调谐却出乎意料地富集在高自发发放率的神经元中。

前额叶皮层（PFC）是大脑的“首席执行官”，负责整合来自全脑的信息，支撑情绪调控、决策和认知等高级功能。然而，与视觉皮层或运动皮层不同，PFC的内部组织逻辑始终是个谜。传统上，科学家依据细胞构筑——神经元胞体的密度、大小和分层排列——将PFC划分为十余个亚区（如PL、ILA、ACAd等），并试图将特定认知功能“分配”给这些亚区。但这种基于解剖的分区方案，从未在功能层面得到令人信服的验证。

来自瑞典卡罗林斯卡医学院的研究团队采用了一种数据驱动的策略：用神经元自身的“语言”——它们的放电模式——来重新绘制PFC的地图。

用三个数字捕捉神经元的“个性”

研究者使用高密度Neuropixels探针，在清醒、头部固定的小鼠中记录了24,248个单神经元的自发活动。为了量化每个神经元的放电“个性”，他们提取了三个相互独立的指标：

• 发放率（Firing rate）：单位时间内动作电位的数量。
• 爆发性（Burstiness）：放电间隔的变异程度。规则放电的神经元爆发性低，而间歇性高频簇状放电的神经元爆发性高。
• 记忆性（Memory）：相邻放电间隔的相关性。高记忆性意味着长间隔后倾向于跟随长间隔，短间隔后倾向于跟随短间隔。

基于锋电位波形宽度，神经元被分为两类：宽波形（ww）单元（占81.1%，推定为兴奋性锥体神经元）和窄波形（nw）单元（占17.7%，推定为抑制性中间神经元）。后续分析分别针对这两类进行，并主要聚焦于ww单元。

PFC的“身份证”：低发放率、规则放电

研究者利用自组织映射（SOM）神经网络，将ww单元按照三种放电指标的组合聚类为8个“放电类别”。当将这些类别投射回大脑空间时，一个鲜明的规律浮现出来：PFC的内侧壁亚区（ILA、PL、ACAd/ACAv）显著富集于低发放率、规则放电的类别（类别1-3），而眶额叶外侧部（ORBl）、次级运动皮层（MOs）等区域则富集于高爆发性的类别（类别8）。

相比之下，丘脑和海马结构等皮层下区域，其神经元大量富集于高爆发性、低记忆性的类别。低发放率、规则放电，似乎是PFC——尤其是其内侧壁——区别于其他脑区的独特“身份证”。

对窄波形（抑制性）神经元的分析揭示了互补的模式：在PFC内侧壁，nw单元富集于高发放率、规则放电的类别。这意味着，在PFC的核心区域，抑制性神经元以高频率、规则的模式持续“工作”，可能正是这种强大的抑制性张力，塑造了兴奋性神经元的低发放率、规则放电特征。这一发现暗示，PFC可能运行于一种“抑制主导”的机制下，有利于进行精细的信息处理。

规则放电，层级越高越明显

这一放电特征是否与PFC在脑网络中的层级位置有关？研究者利用Allen脑连接图谱中定义的皮层区域层级分数，发现了一个稳健的跨区域相关性：一个皮层区域的层级越高，其富集低发放率、规则放电神经元的程度就越强；反之，层级越低，富集高爆发性神经元的程度越强。

然而，当分析范围缩小到PFC内部的细胞构筑亚区时，这一相关性消失了。这强烈暗示，细胞构筑分区并非捕捉层级与功能关系的合适尺度——PFC的内部组织逻辑，需要更精细或完全不同的划分方案。

超越细胞构筑：用活动数据重新划分PFC

为了验证这一想法，研究者放弃了预设的解剖边界，而是根据电极记录位点的空间邻近性，将PFC划分为42个数据驱动的微区（dataROI），每个微区包含约200个神经元。对这些微区的放电类别富集模式进行聚类，揭示出全新的空间模块：

• ILA形成了一个独特的、高度均质的活动模块，以强烈的类别1富集为特征。
• 相邻的PL和ACAd部分区域与ILA共享相似的放电模式，形成了一个跨越传统解剖边界的模块。
• 其他活动模块则呈斑块状分布，横跨多个细胞构筑亚区，揭示出传统分区内部显著的功能异质性。

这一发现与近期基于单神经元连接组的研究高度吻合。Gao等人曾根据输入-输出连接模式，将PFC划分为60个功能ROI（GaoROI），并构建了PFC内部的层级图谱。研究者将相同的分析应用于GaoROI，不仅验证了数据驱动微区的发现，更揭示了一个关键关联：在PFC内部，连接组定义的层级越高，富集低发放率、规则放电神经元的程度也越强。最显著的例子是PL区内的GaoROI 19、20和41——它们拥有最高的层级分数，同时也表现出最强的类别1富集。

任务调谐的空间图谱：决策信号汇聚于高层级

如果自发活动模式反映了网络的层级架构，那么任务相关的神经调谐是否也遵循相同的空间逻辑？研究者分析了另一组小鼠在执行视觉决策任务时的神经元活动（来自国际脑实验室的数据集），考察了对视觉刺激、决策选择和反馈结果表现出调谐的神经元的空间分布。

结果揭示了几幅截然不同的功能地图：

• 视觉调谐：极为稀少，仅在一个位于MOs的微区中富集。
• 决策选择调谐：富集于一个空间连续的区域，覆盖中央MOs、额极（FRP）以及ACAd、ORBvl和PL的前部。令人惊讶的是，ILA、ORBm和ACAv等区域几乎完全缺乏选择调谐神经元。
• 反馈调谐：富集区域与选择调谐区域部分重叠，但更偏向AId和FRP。

将选择调谐的富集模式与PFC内部层级进行相关性分析，得到了一个与自发活动高度呼应的结果：选择调谐神经元的富集程度，与连接组定义的层级分数呈强正相关。高层级的PL区域不仅富集规则放电神经元，也富集编码决策信号的神经元。

空间重叠，细胞分离：功能与状态的辩证关系

既然规则自发活动和选择调谐在空间上重叠（都集中于高层级区域），它们是否由同一群神经元承载？出人意料的是，答案是否定的。在单细胞水平上，对感觉刺激有反应的神经元、以及编码决策和反馈的神经元，均显著富集于高自发发放率的类别（类别4-6）——而非PFC标志性的低发放率、规则放电类别。

这意味着，PFC的高层级区域同时容纳了两类功能迥异的神经元群体：一类是维持低发放率、规则放电的“背景”神经元，它们可能构成了区域的基本运算架构；另一类是平时较安静、但在特定认知操作时被“唤醒”的高发放率神经元，它们负责动态地编码任务相关信息。连接组层级塑造了区域的整体活动环境，而具体的信息编码则由嵌入其中的特定神经元亚群执行。

重新定义脑区的功能组织原则

这项研究提供了一套可推广的“路线图”，用于探索任何脑区的功能组织。其核心启示在于：对于像PFC这样功能高度分布、连接复杂的脑区，基于细胞构筑的传统分区可能是一种误导。神经元的放电模式——作为其内在生物物理特性和网络嵌入状态的综合反映——为理解功能组织提供了更直接的窗口。

研究揭示，PFC的内侧壁（ILA、PL）形成了一个独特的“高层级活动枢纽”，其特征是强大的抑制性张力、规则的背景放电，以及在此架构上动态编码决策信息的神经元集群。这一枢纽的边界与任何单一的细胞构筑分区都不完全吻合。

从更广阔的视角看，这项研究将连接组、活动组和功能组初步串联起来：连接组定义的层级塑造了区域的自发活动特征（规则放电），而这一活动环境又为特定认知功能（如决策）的神经元调谐提供了舞台。未来的研究若能将更丰富的认知任务、更精细的细胞类型鉴定和跨物种比较纳入这一框架，我们距离理解前额叶——乃至整个大脑——如何从结构中涌现出功能，将更近一步。

参考文献：
A prefrontal cortex map based on single-neuron activity Nat Neurosci 29, 2026.

相关阅读：

• Gao, L. et al. Single-neuron projectome of the mouse prefrontal cortex. Nat. Neurosci. 25, 515–529 (2022).
• Harris, J. A. et al. Hierarchical organization of cortical and thalamic connectivity. Nature 575, 195–202 (2019).
• Siegle, J. H. et al. Survey of spiking in the mouse visual system reveals functional hierarchy. Nature 592, 86–92 (2021).