2025年9月15日，《自然-神经科学》发表的一项研究，通过大规模电生理、双光子钙成像和全息光遗传学技术，首次在小鼠初级视觉皮层（V1）中揭示了一群专门负责“感官推断”的神经元。这群被称为“IC编码者”（IC-encoders）的神经元，能对经典的“卡尼萨错觉”轮廓产生特异性反应，并通过局部的“模式补全”（pattern completion）机制，将大脑基于先验知识的“预测”信号在皮层局部网络中放大，从而形成对错觉轮廓的整体感知。
我们的大脑每天都在进行“感官推断”（sensory inference）——根据不完整的感官信息和过往经验，推测出感知对象的全貌。经典的“卡尼萨错觉”（Kanizsa illusion）是研究这一过程的绝佳窗口：几个带有缺口的“吃豆人”图形，会让我们清晰地“看见”一个并不存在的白色三角形或条形。尽管这一现象在人类、猴、小鼠乃至昆虫中都存在，但大脑皮层——尤其是负责初级视觉加工的V1区——究竟如何编码这种“无中生有”的推断，其背后的神经环路机制始终是未解之谜。
来自美国加州大学伯克利分校和艾伦脑科学研究所的联合团队，利用多通道Neuropixels电生理、双光子钙成像和双光子全息光遗传学等前沿技术，在清醒小鼠的视觉皮层中，对这一问题进行了从单细胞到网络层面的系统性解析。
锁定“IC编码者”：一群专门响应错觉轮廓的V1神经元
研究者首先向小鼠呈现了精心设计的视觉刺激。经典的“卡尼萨条形”由四个带缺口的圆形构成，中央形成一个主观轮廓（IC）；作为对照，“L形组合”则将上下半区的缺口图形错位摆放，破坏了错觉轮廓（LC）。
通过在V1进行大规模的神经元活动记录，研究者发现了一群独特的神经元，他们称之为“IC编码者”（IC-encoders）。这群神经元的定义性特征是：
- 选择性响应：对包含错觉轮廓的图像（IC）有强烈反应，但对物理特征几乎相同、仅错觉轮廓被破坏的图像（LC）反应微弱。
- 非局部特征驱动：其反应无法用对图像中局部诱导图形（“吃豆人”片段）的反应来解释。与之相对的是“片段响应者”（segment responders），它们主要对特定朝向的诱导片段产生反应。
“IC编码者”在V1第2/3层（L2/3）的兴奋性神经元中约占4.3%，它们的感受野大小与普通V1神经元无异，且接收了更多来自高级视觉皮层的兴奋性输入。这表明，“IC编码者”是接收并整合自上而下推断信号的“特化”细胞。
推断的层级起源：V1-L2/3是推断信号的最低皮层节点
为了追踪推断信号在视觉层级中的流动，研究者训练线性支持向量机（SVM）来解码神经活动模式。他们设计了一个巧妙的“推断解码”（inference decoding）范式：
- 训练：用IC和LC图像诱发的神经活动模式训练分类器。
- 测试：向小鼠呈现全新的、包含真实物理边缘的“TRE”图像（其像素分别与IC和LC等量重叠），然后检验分类器会将TRE诱发的活动归为“IC”还是“LC”类别。
结果极具启发性：
- V1-L4无推断信号：作为主要的丘脑输入接收层，V1第4层（L4）的神经活动模式未能通过推断解码测试，表明其主要忠实于物理感觉输入。
- 推断始于V1-L2/3并广泛分布：V1-L2/3及多个高级视觉皮层（尤其是LM区）均表现出显著的推断信号，且没有一个高级皮层的推断信号强度显著高于V1-L2/3。
这表明，V1-L2/3是视觉层级中感官推断信号“涌现”的最低节点，并且它在推断计算中扮演着主动角色，而非仅仅是高级皮层信号的被动接收者。
“IC编码者”是推断表征的核心：移除它们，推断消失
“IC编码者”的单细胞反应与群体水平的推断表征之间有何关联？研究者通过计算模拟发现：
- 移除关键群体：若将“IC编码者”的神经活动从解码器输入中“清零”，则推断解码性能完全丧失。相反，移除数量多得多的“片段响应者”则无此影响。
- 仅用关键群体：如果仅用“IC编码者”的活动来训练解码器，即便使用的神经元数量远少于“片段响应者”，却足以达到高水平的推断解码性能。
这雄辩地证明，“IC编码者”是V1-L2/3中承载感官推断群体表征的核心与必需组件，而“片段响应者”则主要负责编码自下而上的感觉信息。
双光子全息光遗传学证实：激活“IC编码者”即可驱动“模式补全”
一个核心问题是：“IC编码者”的活动，是否足以主动在V1局部网络中“重建”出对错觉轮廓的表征？研究者运用双光子全息光遗传学技术，在没有任何视觉刺激的情况下，选择性激活小鼠V1中的“IC编码者”或“片段响应者”，并同时记录网络中其他神经元的活动。
结果揭示了一个清晰的功能分工：
- “IC编码者”驱动局部模式补全：激活“IC编码者”群组，能在非被刺激的V1-L2/3神经元中，诱发出一种与真实看到IC图像时高度相似的整体活动模式。解码器能够轻易地将这种“人工”活动模式归类为对应的IC图像。这表明，“IC编码者”在V1局部网络中扮演着“广播站”的角色，通过模式补全机制将推断信号放大。
- “片段响应者”驱动前馈传播：相反，激活“片段响应者”群组，无法在V1局部网络中重建出IC表征。但利用新开发的双光子全息介观镜观察下游皮层发现，激活V1的“片段响应者”反而能在高级视觉皮层中有效重建IC表征。这表明“片段响应者”的主要功能是将感觉信息前馈至高级皮层。
总结与展望：感官推断的环路模型
这项研究首次在细胞和环路水平上，完整地描绘了大脑皮层进行感官推断的神经机制，提出了一个清晰的“前馈-反馈-局部循环”模型：
- 感觉驱动：V1的“片段响应者”接收并编码图像的局部物理特征，并将其前馈至高级视觉皮层。
- 推断计算：高级视觉皮层（如LM区）整合信息，识别出局部片段构成的全局模式（如错觉轮廓），并将这一“推断/预测”信号通过反馈连接送回V1。
- 局部放大：V1-L2/3中特化的“IC编码者”接收此反馈信号，并立即在局部网络中通过模式补全机制将其“广播”和放大，从而巩固和强化对错觉轮廓的整体感知表征。
这一发现不仅解开了卡尼萨错觉的百年神经机制之谜，更具有深远的普遍意义：
- 普适的计算原理：它揭示了“模式补全”——这种常与海马体记忆提取相关的神经计算——同样是新皮层进行感官推断的核心机制。大脑通过选择性地强化与“先验预期”相符的神经活动模式，从模糊的感觉输入中“重建”出清晰的感知。
- 理解感知障碍：为理解精神分裂症等疾病中出现的幻觉或感知异常提供了全新的环路框架。这些症状可能源于推断信号（自上而下）与感觉信号（自下而上）之间的平衡失调，或模式补全环路的异常激活。
参考文献：
Nat Neurosci 28, 2319–2329 (2025).
相关阅读：
- Keller, A. J. et al. A disinhibitory circuit for contextual modulation in primary visual cortex. Neuron 108, 1181–1193.e8 (2020).
- Pak, A. et al. Top-down feedback controls the cortical representation of illusory contours in mouse primary visual cortex. J. Neurosci. 40, 648–660 (2020).