基底前脑胆碱能输入介导适应性注意力分配以增强嗅觉辨识能力

Basal forebrain cholinergic input mediates adaptive attention allocation to enhance olfactory discrimination

Rahul Garg, Qiang Qiu, C. Ron Yu_2025, PLoS Biology

摘要

动物在分配有限的认知资源时，会通过有选择地放大相关的感觉输入，来提高决策能力。注意力的分配总是与行为目标相一致，并与认知需求相适应，但其机制尚不清楚。这里我们识别了一条与气味处理相关的注意型回路：斜角带水平核的胆碱能神经元通过小鼠嗅球中的抑制性多巴胺能短轴突细胞提供自上而下的控制。能够引发注意力集中的线索触发的胆碱能活动可使嗅觉感觉轴突进行准备性去抑制，从而增强对奖赏相关气味的反应，并改善决策能力。当任务变得常规化时，熟练动物的准备性（而非奖赏依赖性）胆碱能活动会停止，这暗示着熟练程度和注意力投入之间的权衡。直接操纵去抑制回路可恢复注意力效应，且无需引起普遍的唤醒。该回路的计算模型重现了注意力反应的动态变化，并阐明了有效分配认知资源的一种“两阶段”适应机制。

Abstract

By selectively amplifying relevant sensory input, animals efficiently allocate limitedcognitive resources to improve decision-making. Allocation of attention is aligned with behavioral goals and adaptive to cognitive demand, but the circuit mechanisms remain unclear. Here, we identify an attention circuit for odor processing where cholinergic neurons in the horizontal nucleus of the diagonal band provide top–down control through inhibitory dopaminergic short-axon cells in the mouse olfactory bulb. Attentional cue triggered cholinergic activity provides preparatory disinhibition of olfactory sensory axons to enhance response to reward-associated odors and improves decision-making. Preparatory, but not reward-dependent, cholinergic activity is disengaged in proficient animals when the task becomes routine, underlying a trade-off between proficiency and attention engagement. Direct manipulation of the disinhibitory circuit reinstates attentional effect without eliciting general arousal. A computational model of the circuit recapitulates the dynamic change in attention responses and illustrates a two-stage adaptation that efficiently allocates cognitive resources.

这又是一篇非常有意思的研究！摘要一开始说的“有选择放大相关的感觉输入”，可以理解为：假设我们有十条路，用来传递不同气味的嗅觉信号到高级皮层去处理，那么当其中一条通路收到信号并传递的时候，这条路会变宽，其它路会变窄甚至被封锁。实现这个过程的是所谓“自上而下”调控机制，这个机制我们在之前分享的“Manabe_2011_慢波睡眠期间嗅觉皮层向嗅球生成同步化的自上而下的输入_2”里面也详细介绍过。在这里，它就变成从高级皮层向低级嗅觉中枢下放信号，来抑制另外九条路的活性，进而放大传递信号的那条路（变宽）。斜角带水平核位于基底前脑，顾名思义位于大脑底部靠前的位置，这个区域被认为与注意力调控密切相关。胆碱能神经元，胆碱在这里专指乙酰胆碱，一种常见的神经递质，能够被胆碱激活的神经元简称“胆碱能神经元”。同理，多巴胺能短轴突细胞就是能够被多巴胺这种神经递质激活的短轴突细胞。短轴突细胞属于中间神经元，能够抑制其他神经元产生调控作用。由于ta的轴突短而得名。

这个文章的核心就是说，当动物还不熟悉一个任务，还在学习的过程中时，集中注意力会产生一个预先的准备性神经信号，以备对后面的任务起反应；而当动物熟练之后，习惯性地去完成任务，这个准备性信号就会消失。并且通过人为干预让熟练的动物失去“熟练”（通过干扰这个通路的信号），那么这种准备性信号又会产生。所以文章最后总结说，对于需要投入很多注意力的不熟悉的事情和不用投入太多注意力的熟悉的事情，动物存在两个阶段的认知资源分配方式！整个逻辑还是比较完整和有说服力的！