Current Biology | 陈科等揭示味觉信息在味觉皮层的空间编码
“昨晚又是一顿大餐，那个鱼汤很鲜，番茄鸡蛋酸甜可口，恰到好处！但就是那个糖醋排骨有点太甜了，不太合我胃口“ 。像这样，我们不断的用舌头去感受一日三餐饭菜的滋味，对好吃的大快朵颐，对难吃的退避三舍。我们这些反应背后都是味觉系统在发挥作用。简单地说，味觉系统让我们能够感知并分辨不同的味道，比如酸、甜、苦、咸和鲜这五种基本味道。在品尝的过程中，食物的化学分子会被口腔的味蕾（味觉感受细胞）检测到，然后味觉信息会被逐步传递到大脑中的味觉皮层（gustatory insular cortex）。
味觉皮层是如何表征味觉信息的呢？在视觉、听觉和触觉皮层，感觉信息的表征是呈现有序的空间结构。在触觉皮层，临近的体表信息会被表征在触觉皮层的相近区域；在初级听觉皮层（比如小鼠的A1），由低到高的声音频率会依次激活从后向前的初级听觉皮层。那么味觉皮层也是通过类似有序的空间结构来表征不同味道的吗？换句话说，酸、甜、苦、咸和鲜这五种基本味道是分别激活味觉皮层的不同小区域还是激活同一片区域呢？这个看似简单的问题，科学家们十几年来却一直争论不休，至今没有定论。在以往的实验中，研究者们在麻醉的动物上通过钙成像的方法来观察味觉皮层不同区域对味道刺激的反应。其中有的研究发现，不同的味道会激活味觉皮层完全不同的区域；但也有研究发现不同的味道激活的区域是重叠的，并且同一个神经元可以被多个味道激活。值得一提的是，这些研究都是在麻醉的小鼠或大鼠上进行的。而当动物清醒的时候，味觉皮层又是如何在空间上表征味觉信息的呢？
2020年11月12日，美国石溪大学Alfredo Fontanini实验室（陈科为第一作者和共同通讯）在Current Biology杂志上发表了文章Spatially Distributed Representation of Taste Quality in the Gustatory Insular Cortex of Behaving Mice，采用了一种结合钙成像和三棱镜的方法，在清醒状态的小鼠上记录味觉皮层对不同味道的反应。通过双光子钙成像和宽场钙成像，该研究发现味觉皮层不仅在局部上对不同味道的反应是交错在一起的，而且在大视野上也不存在有序的空间分区。这项研究表明，味觉信息在味觉皮层的表征是无空间规则的，这与嗅觉信息在梨状皮层（嗅觉皮层）的表征颇为类似。
为了记录味觉皮层的神经活动，研究者首先在味觉皮层表达钙指示蛋白（GCaMP6f），并且在味觉皮层表面安装一个微小三棱镜。三棱镜可以使钙成像的激发光和放射光偏折90°，这样就可以训练小鼠在正常姿势下主动舔舐各种味道的水（酸、甜、苦、咸和纯水），与此同时记录由钙信号代表的神经细胞电活动。
实验结果显示，在清醒小鼠的味觉皮层表面，大部分活跃的神经元对味道其实并不起反应，而有反应的神经元只占19%-25%。这些对味道起反应的神经元，其中一半的神经元只对一种味道起反应，而另一半的神经元会被多个味道激活，这说明味觉皮层的神经元并不都只表征一种味道。
为了探索这些对味觉起反应的神经元的空间分布，研究者采用置换检验（permutation test）随机在视野中选取神经元，并计算这些神经元的间距。因为这里的神经元是随机选取的，所以它们的间距被当作对照来表征无序空间分布时神经元间的距离。如果有一群神经元间距比对照小，说明它们之间的分布可能不是无序的。但研究者发现那些对各个味道起反应的神经的间距并没有显著小于对照。也就是说，味道在味觉皮层的空间表征可能是无序交错在一起的。
由于这个发现是在双光子成像下观察到的，而双光子成像较小的视野范围（~ 0.2 平方微米）限制了研究者观察更大视野范围的空间分布。为了获得更大的视野，作者转而采用宽场钙成像。宽场钙成像可以使观察的视野扩大到双光子成像的16倍，达到 3.2 平方微米，且依旧保留单细胞的分辨率。但即便在如此大视野下，研究者同样发现各个味道（酸、甜、苦、咸、水）激活的神经元不是局限在独立的区域，而是分散的和相互交错在一起。
这一研究为味觉信息在味觉皮层的空间编码提供了新的证据，而这些证据表明味觉皮层采用的是空间分散（spatially distributed）的方式来编码各种味觉信息。同时这项研究在实验方法上揭示了在做行为任务中的小鼠上，大规模成像味觉皮层（同时记录 ~ 1000 神经）是可行的，为未来进一步研究味觉皮层的功能提供了新的方法。