想象一下从高楼听到的城市喧嚣：警笛声、交通声、施工声、人声、风声。大脑在清醒的每一刻都面临着类似的信息洪流，但它必须做比仅仅听到噪音困难得多的事情。它必须保持信号清晰。一道闪光和你自己双脚撞击地面的感觉同时到达同一皮层区域。大脑如何将你所看到的与你的运动这一事实区分开来？
阿尔伯特·爱因斯坦医学院、麦吉尔大学和西奈山伊坎医学院的神经科学家团队找到了一个出人意料的优雅答案。在7月21日发表于《自然·通讯》的研究中，由共同第一作者Eliezyer Fermino de Oliveira和Soyoun Kim以及资深作者Lucas Sjulson、Renata Batista-Brito和Adrien Peyrache领导的团队表明，初级视觉皮层（V1）利用其自身回路中内置的隐形几何结构，根据需要混合和分离运动与视觉信息。看到这一隐藏结构的关键是出乎意料的：让老鼠睡觉。
神经活动的隐藏形状
神经科学家早已知道，大脑并不会平等地使用所有可能的活性模式。在神经元群体可能发出的天文数字般的放电方式中，只有极小一部分实际发生。被允许的模式形成一个称为内在流形的低维空间。想象一个在曲面上滚动的弹珠：重力和地形的形状限制了它可以去的地方，即使弹珠理论上可以向任何方向移动。流形就是神经活动的地形。
研究团队意识到，在非快速眼动睡眠期间，当老鼠既看不见也不运动时，大脑仍在产生其内在动态。这些动态像地形学家行走土地一样描绘出流形。通过记录NREM睡眠期间V1深层的活动，并将这些模式与清醒期间的活动进行比较，研究人员可以绘制地形图，然后询问不同类型的信息落在其上的位置。
他们识别了活动中的三种空间。”流形上”子空间包含大脑在睡眠期间容易产生的模式。”流形外”子空间由内在动态主动抑制的模式组成，即大脑在睡眠期间避免的状态。第三个”非结构化”子空间包含与内在动态没有系统关联的维度。
这种三分法被证明是解开谜团的关键。
运动与视觉相遇之处，以及它们分离之处
当老鼠奔跑、抖动胡须或探索环境时，产生的神经活动正好落在流形上。运动表征是流形上信号。它们遵循大脑内在动态的纹理。视觉刺激（展示给头部固定老鼠的自然图像）也落在流形上，在那里它们以简单、加性的方式与运动信号混合。这是故事中整合的一面。在流形上，视觉和运动共存于同一空间，它们的信号建设性地叠加。
但这带来了一个问题。如果运动与视觉都存在于同一个低维流形上，大脑如何防止运动噪声破坏视觉感知？想象一下同一个房间里两个对话使用相同频率进行。它们会相互干扰。
答案在于流形外子空间。研究团队发现刺激表征也延伸到流形外，即内在动态在睡眠期间抑制的维度。至关重要的是，运动信号不会。这意味着视觉信息拥有第二个受保护通道，运动相关活动无法跟随。大脑无需在整合与分离之间做出选择。它通过为不同目的使用不同的子空间同时实现两者。
合唱神经元与稀疏编码
流形外编码被发现依赖于特定类别的细胞。V1中的神经元可以沿着从”独奏者”到”合唱者”的谱系进行分类。独奏者神经元以与群体其他部分相对不相关的方式放电，各自唱着自己的曲调。相比之下，合唱者神经元受到低维动态的强烈调制，它们的活动随流形同步升降。
正是合唱者神经元携带流形外的刺激信息。当视觉刺激出现时，它驱动这些合唱者细胞中稀疏的群体范围活动。这一发现违反直觉。合唱者神经元是受运动影响最强的细胞，但它们同时也是以避开运动干扰的方式编码纯视觉信息的细胞。
这一悖论通过流形的几何结构得到解决。由于合唱者神经元受到内在动态的强烈约束，它们在睡眠期间的自发活动保持在状态空间的狭窄区域内。这留下了大片未使用的区域（流形外维度）大脑可以通过稀疏的刺激驱动放电到达这些区域。相比之下，独奏者神经元在状态空间中更自由地漫游，因此没有未使用的保护区域供刺激信息隐藏。
结果是一个系统，其中那些与运动耦合最强的细胞恰恰因为其严格约束而为视觉创造了一个干净、安静的空间。看似限制的约束实际上是在赋能。
为何重要
这项研究解决了系统神经科学中长期存在的张力。一方面，全脑记录揭示了运动和内部状态的低维表征，这些表征似乎主导着包括感觉区域在内的所有地方的神经活动。另一方面，已知感觉皮层编码关于世界的高维信息。这些事实似乎相互矛盾。V1如何同时具有低维和高维特性？
答案是它使用不同的子空间来完成不同的任务。低维流形承载运动和整合的视觉-运动信号。在休息期间被主动抑制的流形外维度为纯感觉编码提供了高维保护工作空间。大脑不会将自身扁平化为单一的表示模式。它将模式层层叠加，通过自身内在动态的几何结构加以分离。
这项工作也展示了睡眠作为科学工具的价值。通过记录NREM期间的活动，研究人员可以分离大脑的内在动态，而不受感觉输入或行为的混杂影响。睡眠揭示的流形与组织清醒活动的结构相同，但睡眠让研究人员首次清晰地看到它。
局限性
该研究在小鼠中进行，虽然V1组织的基本原理在哺乳动物中广泛保守，但具体细节在灵长类动物（包括人类）中可能有所不同。记录针对V1的深层，尚不清楚浅层是否遵循相同的规则。流形外编码是使用自然图像识别的，其他视觉特征或认知任务可能调动不同的子空间。该研究在某种程度上也是相关性的：虽然睡眠揭示了流形结构，但内在动态与感觉表征组织之间的因果关系尚未通过扰动实验直接证明。
要点总结
初级视觉皮层利用低维内在动态（在NREM睡眠期间可见）雕刻出一个功能几何结构，该结构同时在流形上整合运动和视觉，并在流形外保护纯视觉编码。该系统依赖合唱者神经元，它们与流形的紧密耦合悖论性地为稀疏刺激表征创造了一个干净、无干扰的子空间。在睡眠中瞥见的大脑隐藏几何结构，可能是理解它如何管理混合与分离经验流之间的持续紧张关系的关键。 婷 翻译
Source: de Oliveira, E.F., Kim, S., Qiu, T.S., et al. “Sleep reveals dynamics integrating and segregating movement and stimulus representations in V1.” Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75347-4.