eLife丨大鼠觅食时如何边吃边躲避危险？韩国大学June-Seek Choi团队揭示自然觅食过程中内侧前额叶皮层的异质性编码

2026年1月5日，韩国大学心理学系June - Seek Choi及其团队在eLife上发表题为《Population analyses reveal heterogenous encoding in the medial prefrontal cortex during naturalistic foraging》的论文，实验发现，内侧前额叶皮层（mPFC）神经元群体可根据场景灵活切换编码模式，在觅食区编码空间距离支持导航，在威胁与奖励共存的遭遇区编码防御决策，且同一群体而非专门亚群实现这一功能，为前额叶皮层多功能整合机制提供了重要依据。

本研究核心采用多通道单细胞记录技术，在大鼠内侧前额叶皮层（包括PL 和 IL 区域）植入微电极阵列，同步记录神经元集群活动。搭建包含巢穴区（N 区）、觅食区（F 区）和遭遇区（E 区）的觅食装置，E 区设置糖水奖励端口和 “龙虾机器人”（Lobsterbot）作为威胁源。实验分为习惯化、穿梭训练和机器人威胁三个阶段，采用人工神经网络（ANN）回归模型解码空间距离信息，朴素贝叶斯分类器预测回避行为结果，结合主成分分析（PCA） 和分层聚类分析探究神经元群体编码特性。

• 威胁环境下大鼠的觅食行为模式

实验中大鼠在遭遇区（E 区）面对糖水奖励和机器人威胁时，表现出两种典型行为：回避性撤退（AW）和逃逸性撤退（EW）。AW 是大鼠在机器人攻击前主动缩回头部，EW 则是受到攻击后反射性逃离。在实验初期（Lob1 阶段），大鼠的趋近尝试次数、舔糖水次数等行为指标显著下降，伴随冻结、伸展警觉姿势等被动防御行为；随着适应后，行为指标逐渐稳定，AW 占比达 65.11%，EW 占比 34.89%。行为数据显示，大鼠并未形成固定的时间策略区分机器人 3s 和 6s 的攻击间隔，头部撤退时间分布均匀，表明其通过动态评估环境风险做出决策，而非简单的时间预判。这一行为模式为后续探究神经编码机制提供了明确的行为学指标。

• mPFC 群体活动编码空间距离信息

通过人工神经网络（ANN）对 mPFC 神经元集群活动进行解码，发现大鼠到 E 区中心的距离能被精准预测，原始数据的平均绝对误差（MAE）为 16.61cm，显著低于打乱数据。空间解码精度在觅食区（F 区）最高，显著优于巢穴区（N 区）和遭遇区（E 区），且不受移动方向影响。移除机器人后，解码精度显著下降，表明威胁存在增强了 mPFC 的空间编码功能。N 区内大鼠的梳理、直立等非导航行为会降低解码精度，排除这些行为后，空间编码稳定性提升。此外，PL 和 IL 区域的编码精度无显著差异，说明两区域在空间信息处理中协同作用，共同支持目标导向导航。

• E 区存在独特的功能编码模式

主成分分析（PCA）显示，E 区的 mPFC 群体神经活动与 N 区、F 区存在显著差异，形成独特的神经状态，且这种差异并非由头部进入、撤退等特定事件驱动。通过分层聚类，识别出针对头部进入（HE1、HE2）和头部撤退（HW1、HW2、HW3）的不同神经元亚群。其中 Type 1（HE1 - HW1）和 Type 2（HE2 - HW2）亚群功能差异显著：Type 1 神经元在头部进入前短暂激活后抑制，Type 2 神经元在头部进入后持续高活性。PL 中 Type 2 神经元占比更高，IL 中 Type 1 神经元占比更高，提示两区域在防御决策中存在功能分工。

• mPFC 活动可预测回避行为结果

朴素贝叶斯分类器基于 mPFC 群体活动，能以 72.71% 的准确率区分 AW 和 EW，显著高于随机水平。预测精度在头部撤退前 6s 就达到显著水平，且持续保持，表明 mPFC 提前编码防御决策信息。Type 2 神经元对 AW 的预测贡献最大，其活动与回避成功高度相关，而 Type 1 神经元无显著判别能力。特征重要性分析显示，空间距离和回避决策并非由专门的神经元亚群编码，而是由同一神经元群体根据场景灵活切换编码模式，80% 以上的神经元在 F 区编码空间信息，在 E 区则转向防御决策编码。

本研究通过模拟自然觅食场景，结合多通道神经记录、机器学习解码和行为学分析，发现大鼠内侧前额叶皮层（mPFC）神经元群体能根据环境需求灵活切换功能模式：在觅食区（F 区）编码空间距离信息，支持目标导向导航；在遭遇区（E 区）转向防御决策编码，提前预测回避行为结果。这种切换并非依赖专门的神经元亚群，而是同一群体的动态功能调整，且受威胁存在、行为状态等因素调控，PL 和 IL 区域在这一过程中协同分工。研究揭示了 mPFC 处理奖赏-威胁冲突的神经机制，为理解前额叶皮层的多功能整合特性提供了关键实验证据。

理论意义：揭示了 mPFC 神经元群体的异质性编码特性，证实同一神经群体可通过功能模式切换处理导航和防御决策双重任务，完善了前额叶皮层多功能整合的神经机制理论。

方法意义：结合自然觅食行为范式、多通道神经记录与机器学习解码技术，建立了研究复杂环境下神经编码的有效方法，为后续相关领域研究提供了技术参考。

应用价值：为理解焦虑症、创伤后应激障碍等与风险决策和情绪调控相关疾病的神经机制提供了动物模型基础，有望为相关疾病的干预治疗提供新的靶点思路。