猴嗅周皮层神经元条件联想期间的刺激相关活动取决于即将到来的奖赏结果

电生理学结果

在CACR任务期间，记录了嗅周皮层218个单神经元（106个来自T猴，112个来自S猴）的活动。图4A类显示了从MR图像重建的记录部位（参见材料和方法）。一个疗程的试验次数为37-365次，平均116次。这两种猴子的神经元活动的记录位置和类型相似，因此将这两种猴的数据作为一个群体进行处理。图5显示了218个记录神经元在背景期（Cue1开始前400毫秒）内的平均放电率分布（平均13.7个峰/秒；范围，0-27.4；下四分位数，5.1；中位数，13.7；上四分位，22.3）。67%（146/218）的记录神经元的活动依赖于线索1身份、线索2身份和/或奖励条件，这些神经元被视为具有任务相关活动（滑动双向/单向方差分析；见材料和方法）。

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图4。

A类，录制站点。记录每只猴子大脑侧视图（顶部）和冠状截面（底部）中显示的位置。侧视图中的垂直线显示了记录的前后界限。冠状面上的垂直线显示出电极轨迹。开放方块显示记录位置。rh，鼻腔沟；amts，颞中前沟；sts，颞上沟。B类，根据MR图像重建的记录神经元的位置（参见材料和方法）。一个大圆点（蓝色、红色和绿色）表示一个神经元在提示2期间具有任务相关活动。一个小灰点表示在此期间没有任务相关活动的神经元。蓝色圆点表示神经元具有与奖励条件相关的活动，但不具有试验类型特定的活动。红点表示具有试验类型特异性活动和奖励条件依赖性活动的神经元。绿点表示神经元具有试验类型特异性活动，而不具有奖励条件依赖性活动。黑点表示具有Cue1-身份依赖性和/或Cue2-身份依赖性活动的神经元。每个面板的位置是从侧面到中间，记录每只猴子的轨迹（从左到右）。

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图5。

在背景期内，即Cue1出现前400毫秒内，218个记录神经元的平均放电率分布。这个x个-轴显示平均射速。

任务相关神经元根据线索2呈现后开始的奖励条件表现出活动调制。为了提供这种活动如何在任务中发挥作用的例子，神经元的活动具有取决于奖励条件的调节和具有取决于视觉刺激的图像身份的调节，如图所示图6A类在呈现洋红色线索（Mgnta）后，该神经元的活动略有增加，并且在呈现线索2后，该活动再次增加，未奖励试验（第二和第三行）的活动比奖励试验（第一和第四行）的强。在奖励试验中，从正确的信号开始，活动也再次增加。因此，该神经元在Cue1期表现出Cue1身份依赖性活动，在Cue2期和正确信号期表现出奖赏条件依赖性活动。

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图6。

A类，CACR任务期间任务相关神经元的示例活动。每行从上到下显示四种试验类型，即Mgnta–Ptrn1–R、Cyn–Ptrn 1–NR、Mgnta-Ptrn 2–NR和Cyn-Ptrn2–R。横坐标：相对于对齐事件的时间（显示在每列顶部）。纵坐标：峰值密度的平均发射频率（每次试验每秒峰值）。尖峰密度函数曲线（SD＝30ms的高斯核）叠加在每个光栅图上。在每个光栅图中，最新的试验显示在顶部。横坐标下的黑色条表示提示/目标呈现的最短持续时间或延迟间隔的持续时间。该神经元在Cue1期对Mgnta作出反应，显示出Cue1同一性的显著影响。在线索2期，该神经元对未经回报的试验（Cyn–Ptrn1–NR试验中的Ptn1，Mgnta–Ptn2–NR实验中的Ptrn2）中的模式刺激反应更强烈，显示了回报条件的显著影响。在正确信号期内，该神经元在奖励试验（Mgnta–Ptrn1–R试验、Cyn–Ptrn 2–R试验）中正确信号呈现后增加了其放电，再次显示了奖励条件的显著影响。箭头表示奖励或假设备激活的最短时间。B类，中描述的相同神经元的活动A类在免费奖励任务期间。这个神经元对免费奖励作出反应。横坐标：奖励装置激活的时间。

线索2期的神经活动

我们的主要兴趣是研究以线索2期开始的条件关联如何通过神经元放电来表示。在线索2期内，87个记录的神经元（87/218，40%）表现出任务相关活动（滑动双向方差分析；见材料和方法）。在此期间，我们发现了三种反应调节，即30个神经元（30/218，14%）的第一个线索记忆相关的反应，61个神经元（61/218，28%）的当前反应，以及39个神经元（39/218，18%）的奖励条件依赖性反应。

为了研究这三种活动随时间的表现，我们对87个任务相关神经元的线索1恒等式、线索2恒等式和线索2出现前后的奖励条件解释的反应方差百分比进行了研究（滑动双向方差分析；见材料和方法）。神经元群的平均值如所示图7在延迟期内，Cue1-同一性信号保持不变，在Cue2出现后降低。提示2出现后，提示2身份和奖励条件的解释力增加。线索识别信号的峰值大于奖励条件信号的峰值（平均值为29%和15%，t吨测试，第页<0.05），并且观察到奖励条件信号的峰值晚于线索识别信号的峰值（中位数为410和260 ms，Kolmogorov–Smirnov检验，第页< 0.05).

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图7。

线索2期间87个任务相关神经元沿时间轴的线索识别或奖励条件解释的方差百分比的平均值和SE。N个表示Cue2期间两种动物的任务相关神经元数量。对于87个神经元中的每一个，解释的响应方差由滑动双向方差分析结果计算得出（见材料和方法）。在每个时间窗口中计算平均值和SEM。这个x个-轴表示Cue2开始后从[-600，−400]ms到[1400，1600]ms以10ms的步长滑动的每个200ms时间窗口的中间时间。之前的线索识别信号（橙色曲线）在整个延迟期内保持不变，在线索出现后下降。提示2出现后，当前提示-身份信号（绿色曲线）和奖励-条件信号（蓝色曲线）增加。横坐标下的黑色条显示Cue2演示的最短持续时间。

在Cue2期的任务相关神经元中，有31个（36%，31/87）单独表现出Cue2身份依赖性活动。为了检查这些神经元的活动是否与刺激物的物理特性有关，或者活动是否依赖于任务和刺激物的结合，将CACR任务期间的神经元活动与注视任务期间的神经活动进行了比较。示例神经元的活动如所示图8在CACR任务中，对Ptrn1的反应比对Ptrn 2的反应大，但在注视任务中对Ptrn1和Ptrn2的反应无法区分。在31个神经元中，13个神经元的活动（13/31）对两个任务中背景活动水平没有变化的情况进行了检查，以减少任务变化期间单元丢失的可能性（背景活动，CACR任务中Cue1开始前或注视任务中刺激开始前400毫秒固定窗口内的活动，Student’st吨测试，第页> 0.05). 在13个神经元中，有12个神经元的刺激相关活动发生了变化，其中8个神经元在CACR任务期间的活动比注视任务期间的更为活跃（Student’st试验在刺激开始后从[−100，100]ms滑至[400，600]ms的200 ms时间窗内，CACR任务中的尖峰计数与注视任务中的尖峰计数之间，第页< 0.05,第页使用FDR程序进行多次比较调整后的值）。在CACR任务期间依赖于模式刺激的同一性的反应在12个神经元中的6个的固定任务期间消失（滑动单因素方差分析，第页< 0.05,第页使用FDR程序进行多次比较调整后的值）。这一结果类似于在认知任务中刺激依赖性增加，而不是在注视任务中Liu和Jagadeesh（2008）因此，即使似乎存在刺激-身份依赖性活动，活动也往往取决于刺激和任务的结合。

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图8。

代表性神经元在CACR任务（顶部）和注视任务（底部）期间的活动。在CACR任务中观察到对Ptrn1和Ptrn2的反应存在差异，但在注视任务中没有观察到差异。

许多神经元表现出与奖赏条件有关的活动(图9A类，在Cue2期间，无回报试验中的活动比有回报试验中更强）。此外，这项活动并不仅仅取决于免费奖励任务期间的奖励交付(图9B类). 滑动双向方差分析显示，在39个具有奖赏条件依赖性活动的神经元中，大约一半（20/39，51%）的受奖赏试验的活动强于未受奖赏的试验，这一比例与Mogami和Tanaka（2006年）在这39个神经元中，56%（22/39）的神经元在Cue1和/或延迟期内没有Cue1身份依赖性活动。

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图9。

提示2期间的奖励条件相关活动。A类，CACR任务中代表性神经元的活动。该神经元仅在未奖励的实验中对线索2作出反应，而不考虑线索2的同一性（Cyn–Ptrn1–NR实验中的Ptrn2和Mgnta–Ptrn–NR试验中的Ptron2），显示了奖励条件的显著影响。这个神经元在奖励传递时没有反应。B类，中描述的相同神经元的活动A类在免费奖励任务期间。这个神经元对免费奖励没有反应。

为了检查在Cue2期内奖励条件依赖性活动的表现是否是Cue1–Cue2序列的这种特定组合所独有的，使用了一组沃尔什模式（Ptrn1′和Ptrn2′）作为Cue2。对于12个神经元，检查了原始和替代线索集，使用这两组线索的区块之间的背景活动（Cue1开始前400毫秒）没有显著差异（Student’st吨测试，第页> 0.05). 对于12个神经元，6个在使用原始或替代集合的Cue2期间显示出奖励条件的显著影响，其中3个仅在原始线索集合期间显示出奖励条件的显著影响，2个仅在替代集合期间显示出奖励条件的显著影响，其余一个在两个集合期间显示出奖励条件的显著影响（滑动双向方差分析）。

由于奖赏条件是为Cue1–Cue2组合确定的，因此一些神经元可能在表示奖赏条件信号之前表示描述特定Cue1-Cue2序列的信号。使用Tukey的HSD测试检查与特定Cue1–Cue2序列相关的信号(第页<0.05，在200 ms的时间窗口中，从Cue2开始的[-100，100]ms滑落10 ms），通过比较Cue1–Cue2序列对之间的神经元活性（例如，Mgnta–Ptrn2–NR试验的Cue2期间的活性与Mgnta–Ptrn1–R、Cyn–Ptrn1–NR或Cyn–Ptrn2–R试验的Cue2期间的活性之间的比较）。如果一种试验类型中的峰值计数与其他每种试验类型的峰值计数有显著差异（详见材料和方法），则神经元被分类为代表特定的Cue1–Cue2序列，即试验类型特定的活动。图10A类显示具有这种试验类型特异性活动的神经元的反应。该神经元对Ptrn2呈现有反应，但描述这两个线索序列的试验类型Mgnta–Ptrn2-NR和Cyn–Ptrn 2-R的活性强度不同。神经元的活动被定义为横坐标上红色条指示的时间段内的试验类型特定活动。

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图10。

Cue2期间的试验类型特定活动。A类，CACR任务中神经元的活动。在Mgnta–Ptrn2–NR试验中，对Ptn2的反应大于在Cyn–Ptrn 2–R试验中对Ptn 2的反应。Mgnta–Ptrn2–NR试验中的刺突计数与其他所有试验类型中的刺突计数显著不同。横坐标上的红色条表示试验类型特定活动的持续时间。B类，中描述的相同神经元的活动A类在免费奖励任务期间。这个神经元对免费奖励没有反应。

图11,A–C，说明了由Cue1标识、Cue2标识和每个任务相关神经元的奖励条件解释的响应方差的时间进程。图11D类说明了试验类型特定活动的时间进程。共有18个神经元观察到一种试验类型特异性活动，其中11个（11/39，28%）神经元具有奖赏条件依赖性活动，7个神经元具有线索-身份依赖性活动和/或线索-身份依存性活动。具有奖励条件依赖性活动的神经元百分比（45%，39/87；图11C类)大于试验型特异性活性（21%，18/87；图11D类) (χ²测试，第页< 0.05).

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图11。

每个神经元的任务相关活动的时间进程。A–C，Cue1恒等式解释的方差百分比(A类)，提示2标识(B类)，或奖励条件(C类)在连续200 ms时间窗口中使用滑动双向方差分析，在Cue2期间以10 ms步长滑动。具有显著影响因素/相互作用的窗户用热色表示。D类，具有试验类型特定活动的时间窗口。这个x个-轴表示每个200 ms时间窗口的中间时间，该时间窗口从Cue2开始滑动了10 ms步（[-100，100]ms到[400，600]ms）。因此，第一个时间窗口的中间时间设置为0 ms，最后一个时间窗口中时间设置为距Cue2开始500 ms。用折线将细胞分为五组：（1）一组神经元表现出对奖励条件的依赖性活动，但没有试验类型的特异性活动，（2）神经元表现出奖励条件依赖性活动和试验类型的特定活动，（3）神经元表现出试验类型特异性活动，但不具有奖惩条件依赖性活动，（4）其余神经元表现出Cue2-身份依赖性活动和（5）神经元仅表现出Cue-1-身份依赖性。根据第1组和第2组中具有报酬条件依赖性、第3组和第4组中具有线索身份依赖性、以及第5组中具有提示身份依赖性活动的重要时间窗口的数量，单元格从上到下按降序排列。中的单个星号C类表示神经元的响应方差图9A类。中的双星号D类表示神经元的活动图10A类.

试验类型特异性活动的潜伏期(图12B类;N个=18，蓝色条的第一个窗口图11D类)与提示-身份依赖性活动的潜伏期进行比较(图12A类;N个=61，彩色条的第一个窗口图11B类)以及与报酬条件相关的活动的潜伏期(图12C类;N个=39，彩色条的第一个窗口图11C类). 报酬-条件依赖的潜伏期分布显著长于线索-身份依赖的潜伏期分布(图12D类长短线与实心曲线交替；Kolmogorov–Smirnov试验，第页< 0.05). 试验型特异性活性的潜伏期分布与Cue2身份依赖性的潜伏期分布没有显著差异（折线与实线，Kolmogorov–Smirnov检验，第页=0.35）也不是从奖励条件依赖性的潜伏期分布（断裂与交替长短划线曲线，Kolmogorov–Smirnov检验，第页= 0.27).

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图12。

线索依赖性活动的潜伏期分布(A类)、试验类型特定活动(B类)以及与薪酬条件相关的活动(C类). 纵坐标表示神经元的数量。每个图中的垂直线显示了平均延迟。D类，使用细胞百分比的累积和比较不同响应类型的延迟分布。实心曲线，提示依赖性活动的潜伏期分布。曲线断裂，试验类型特定活动的潜伏期分布。交替长短跑曲线，奖励条件相关活动的潜伏期分布。曲线上的数字显示了平均延迟。薪酬条件依赖的潜伏期明显长于线索2-身份依赖（交替长划线和短划线vs实心曲线，Kolmogorov–Smirnov检验*第页< 0.05). 试验类型特异性活动的潜伏期与线索-身份依赖性的潜伏期没有显著差异（断裂曲线与实心曲线、Kolmogorov–Smirnov检验、，第页=0.35）或报酬条件依赖性的潜伏期（折断与交替长短破折号曲线，Kolmogorov–Smirnov检验，第页= 0.27).

为了检测代表奖励条件的神经元是否对任务上下文之外的实际奖励传递做出反应，39个奖励条件依赖神经元中的18个通过自由奖励任务进行了检测(图6B类,​,99B类,​,1010B类). 在18个神经元中，有6个（6/18个，33%包括1个具有试验类型特异性活动的神经元）在自由奖励任务中的奖励传递后表现出显著的反应（学生的t吨测试奖励装置激活前400 ms期间的峰值计数和奖励装置激活后150 ms开始的400 ms期间内的峰值计数，第页< 0.05). 在这六个神经元中，有三个神经元在奖励试验中对Cue2的反应更强，其余三个神经元则在未奖励试验中表现出对Cue1的反应更强(图6B类)在CACR任务期间。

我们检测了28个神经元中有26个神经元的奖励条件依赖性活动是否与猴子的舔食行为有关，这些神经元具有奖励条件依赖性活动，但没有试验型特异性活动。对尖峰计数（从Cue2开始的600ms期间）与等待期间舔舔持续时间比例之间的相关性进行逐一试验分析(图3B类)在有奖或无奖的试验中独立进行，结果表明刺数与舔食持续时间之间的相关性较弱(第页<0.05）。

事件中与任务相关的活动

图13A类显示了试验事件中显示任务相关活动的神经元的百分比和数量。在Cue1期（23%，51/218）、延迟期（17%，36/218）和Cue2期（14%，30/218）观察到Cue1-身份依赖性活性。在Cue2期间，具有任务相关活动的神经元数量最多（40%，87/218，χ²测试，第页< 0.05). 任务相关神经元的百分比在等待和执行信号期间下降（χ²测试，第页< 0.05). 在正确的信号期内，具有奖赏条件依赖性活动的神经元百分比增加（13%，29/218；示例神经元的活动如所示图6A类). 在此期间，未发现试验类型特异性活动。线索2期和正确信号期内奖励条件解释的响应方差峰值没有显著差异（线索2期与正确信号期的中位数分别为22%和29%；Kolmogorov–Smirnov检验，第页= 0.07). 在正确信号期内具有奖励条件依赖性活动的29个神经元中，有17个使用免费奖励任务进行了检查。6个神经元（6/17，35%）对自由奖赏有反应(图6B类)包括在CACR任务期间，在奖励试验中有三个反应更强的神经元，在未奖励试验中三个反应更强烈的神经元。

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图13。

试验事件期间具有任务相关活动的神经元数量和每个神经元的响应类型。A类，每个试验事件中与任务相关的神经元总数（顶部）和具有每种任务相关活动的神经元数量（底部）。括号中显示了每个试验事件中任务相关神经元相对于记录神经元的百分比。关于延迟期，包括从延迟开始表现出线索-身份依赖性活动的神经元。观察到奖励条件依赖性活动始于线索2期。B类，试验事件中每个神经元的响应类型。橙色表示具有线索-身份依赖性活动的神经元，绿色表示具有线索/身份依赖性活性的神经元，蓝色表示具有奖励-条件依赖性活动。

图13B类显示了试验事件中每个神经元的显著性特征。这些结果表明，许多神经元在一个以上的时间段内表现出与任务相关的活动，并且反应的特征可能会随着时间的推移而变化。

呈现物理上相同的视觉刺激时的奖赏条件依赖性活动

先前对嗅周皮层的电生理学研究表明，该区域的神经元代表了有关两种视觉刺激之间关联关系的信息(Naya等人，1996年,2003;Messinger等人，2001年;Fujimichi等人，2010年;Takeuchi等人，2011年)，视觉刺激和奖励计划状态之间的关联(刘和里士满，2000年)或视觉刺激与奖励传递/缺失之间的关联(Mogami和Tanaka，2006年). 本研究的结果扩展了先前的发现，表明鼻腔周围神经元的活动是刺激意义的信号，即奖励条件，与刺激的身份无关。因为刺激和奖励结果之间的关联关系是由另一个刺激（场合设定者，荷兰，1986年)这些发现进一步表明，这个皮层的能力不仅限于将单个刺激与奖励联系起来。

嗅周皮质接收来自视觉区域TE的投影(铃木和阿马拉，1994年;Saleem和Tanaka，1996年)，但当视觉刺激和相关奖励条件（奖励或厌恶味道）的关系发生逆转时，区域TE神经元不会改变反应强度或反应选择性(罗尔斯等人，1977年). 如果考虑神经元处理的前馈方面，奖赏条件的灵活表示可能首先出现在嗅周皮层。这与嗅周皮层消融猴子在刺激-奖励关联的反向学习过程中表现受损的研究结果相一致(Murray等人，1998年;汉普顿和默里，2002年)以及在学习或记忆相对奖励值的过程中(克拉克等人，2012年). 由于神经元在奖赏性或非奖赏性试验中的反应是否更强方面存在着相同的分歧，因此不能将这些反应完全归因于与定向注意力相关的反应增强(Chelazzi等人，1993年,1998)也不能将其归因于最近和/或反复出现视觉刺激后的反应减退(Fahy等人，1993年;Xiang和Brown，1998年;Liu等人，2009年).

CACR任务与中使用的任务类似渡边（1990）检查背外侧前额叶皮层（DLPFC）的神经元。许多DLPFC神经元代表奖励条件（67%的线索相关神经元），而不是线索的物理属性（7%）或特定线索序列（26%）(渡边，1990年). 因为嗅周皮层对DLPFC只有很小的投射(彼得里德斯和潘迪亚，2002年;穆尼奥斯和英索斯蒂，2005年;Saleem等人，2008年)，尚不清楚嗅周皮层是否处于比DLPFC更早的处理阶段来表示相关的奖励条件，或者奖励条件依赖性活动是否在这两个区域独立出现。

编码嗅周皮层奖赏条件的神经机制

线索识别依赖性活动、试验类型特异性活动和奖励条件依赖性活动的潜伏期分布表明，奖励条件信号出现的时间晚于线索识别信号，这些信号之间代表线索序列，即试验类型特异活动。基于这些结果，我们可以想象，等级关系可能存在，从而产生这三个信号，因为神经元可能通过关联Cue1和Cue2来显示试验类型特定的活动，并且神经元可能通过将试验类型特定活动与奖赏/未奖赏结果关联来编码奖赏条件。在本研究中，尚不清楚试验类型特异性信号是否代表关于Cue1–Cue2、Cue2–奖励条件或Cue1–Cue2–奖励条件的关联信号。

我们推测，至少需要两个处理阶段来编码奖励条件。如果Cue1和Cue2之间的关联以及与奖赏的关联发生在一个阶段，那么在Mgnta–Ptrn1–R试验或Cyn–Ptrn 2–R试验中都应该存在奖赏信号，但在两者中都不存在。在第一阶段，试验类型特异性信号可能通过关联Cue1和Cue2进行编码，从而产生代表每个线索序列的四种类型的神经元，即Mgnta-Ptrn1、Mgnta-Patrn2、Cyn-Ptrn1和Cyn-Ptron2。第一阶段的四种试验类型特异性神经元投射到单个第二阶段神经元。第二阶段的神经元还接收来自其他区域的奖赏信号，如杏仁核或OFC，这些区域的神经元对欲望或厌恶刺激作出反应(Belova等人，2007年;莫里森和萨尔兹曼，2009年). 也许，试验类型特定的信号本身或仅奖励信号不足以驱动第二阶段神经元，这两种信号都是必需的。因此，在奖励或未奖励的试验中，第二阶段神经元对Cue2产生反应，导致主要与奖励条件相关的反应。第二阶段可能由杏仁核或嗅周皮层完成，嗅周皮质可能代表杏仁核/嗅周基底发出的奖励条件信号。然而，这不太可能发生，因为OFC中的奖励条件信号已经成为提示集相关(Tremblay和Schultz，1999年). 因此，我们推测，信号的层级整合发生在嗅周皮层。这个皮层在信号整合中的重要性以前就有人提出过(刘和里士满，2000年;Yoshida等人，2003年).

因为与强化或惩罚相关的信号在大脑中广泛存在（参见Vickery等人，2011年)，可能是鼻腔周围皮层的奖励条件信号与杏仁核和OFC以外区域的信号有关。

试验类型特异性信号可能作为与联合表征相关的神经元信号出现Bussey等人（2002年）基于嗅周皮层消融猴学习双条件辨别能力受损的研究。在接受过CACR任务训练的猴子中，除了视觉刺激的联合表征外，嗅周皮层神经元还编码奖励条件。在CACR任务中，嗅周皮层对奖赏条件编码的影响可能大于对特定线索序列表示的影响，因为编码奖赏条件的神经元百分比（45%）大于显示试验类型特异性活动的神经元的百分比（21%）因为在正确的信号周期内，依赖于奖励条件的神经元的百分比再次增加。