大脑皮层中各层的分工

大脑是一个约三磅重的组织，其结构复杂，功能强大。在这个三维组织的最外面是一层颜色较深的结构，这里是神经细胞的胞体所在，我们称之为大脑皮层，大脑皮层也被称为灰质（gray matter）；皮层下面的结构颜色较浅，这里是神经细胞的轴突所在，其作用是将皮层中的神经元信号传递出去，由于轴突外面往往包裹着一层颜色较浅的髓鞘，所以皮层下的组织也被成为白质（white matter），如图 1 所示。

v2 be0bab9b7b275ed2cf360d8a28185353 1440w — 图 1 大脑的灰质（gray matter）和白质（white matter）

大脑皮层非常薄，平均厚度只有 2.5 mm，因此，无论是直接用肉眼还是用影像学的手段如磁共振成像采集图片，都很难观察到其内部的结构。事实上，皮层并不是一个质地均匀的组织，如果我们把一小块大脑皮层放在显微镜下观察，就会发现皮层是具有分层结构的，灵长类动物的大脑皮层一般可以分为六层，位于颅骨下面的是最外层，也就是第一层，最靠近白质的是最内层，也就是第六层，如图 2 所示。

v2 c2594cf4742ed315339cf86b99167476 1440w — 图 2 灵长类动物的初级视觉皮层分层结构，从左至右分别为黑猩猩，猕猴，松鼠猴，猫头鹰猴，狨猴，婴猴，狐猴，树鼩

当然也少不了神经科学领域的大画家Santiago Ramon y Cajal的精美作品，如图 3 所示。

v2 8d2ca33cde2a6a8ccff7ce83064897d1 1440w — 图 3 左：人脑的视觉皮层（尼氏染色）；中：人脑的运动皮层（尼氏染色）；右：半个月大婴儿的皮层（高尔基染色）；从图中可以看出，尼氏染色主要染的是细胞体，而高尔基染色主要染的是树突。

分层结构意味着大脑皮层中每一层的神经元类型可能是不同的，功能也可能是不同的。在过去的几十年中，科学家对感觉皮层（如视觉皮层、听觉皮层）和运动皮层的分层结构和功能进行了大量的探索和研究。研究发现：

第一层是分子层，包含少量的神经元胞体和胞体位于其它层的锥体细胞的顶端树突簇，以及一些水平朝向的轴突，还有一些胶质细胞。
第二层是外部颗粒层，包含小锥体神经元和众多的星形神经元。
第三层是外部锥体细胞层，主要是中小型的锥体神经元，以及非锥体神经元的垂直朝向的皮层内轴突。第一层至第三层主要接收大脑半球之间的皮层内信息输入，第三层也是主要的皮层输出层。
第四层是内部颗粒层，包含不同类型的星形神经元和锥体神经元，是丘脑到皮层的主要输入层。因此初级感觉皮层的第四层特别厚，而初级运动皮层只接收少量的输入信息，需要输出大量的信息来指挥肢体的运动，因此初级运动皮层的第四层特别薄，如图 4 所示。
第五层是内部锥体细胞层，包含大型的锥体神经元，其轴突会离开皮层到达亚皮层结构，比如基底核。
第六层是多形态层，包含少量的大型锥体神经元，一些小的纺锤形锥体神经元和多形态神经元。第六层将信息传入到丘脑，建立皮层和丘脑之间非常精确的双向连接。

v2 1313cae2f1964013480fcda14792a5d1 1440w — 图 4 初级感觉皮层（左）和初级运动皮层（右）的分层结构，可以看到初级感觉皮层的第四层是最厚的，而初级运动皮层的第四层特别薄

然而，针对高级认知皮层的分层结构和功能研究仍存在大量空白。近期，来自美国麻省理工学院的科学家就对负责工作记忆的前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）的分层结构进行了研究，发现了 PFC 中不同层在保持工作记忆时的作用。

该研究的实验对象是猴子，实验中猴子需要完成三种工作记忆任务：

在目标物体消失 0.5 到 1.2 秒后，在几个物体中找到刚才呈现过的物体（search）；
在多个干扰红点和目标红点呈现 2 到 2.7 秒后，找到目标红点（masked delayed saccade）；
在目标点消失 1 秒后将目光移动到目标点的位置（delayed saccade）。

科学家用皮层探针记录 PFC 中每一层的神经信号，如图 5 所示。

v2 64e4b4e63fbe65b33c75a9c11f1755e9 1440w — 图 5 工作记忆实验设计及记录电极示意图

通过分析皮层探针记录的局部场电位数据，科学家发现，PFC 的表层（superficial）神经元主要表现为频率为 58-260 Hz 的 gamma 振荡，而深层（deep）神经元主要表现为 4-22 Hz 的 alpha/beta 振荡，如图 6 所示。

v2 ea4293d452867b7b4ac2c4b9071f24e2 1440w — 图 6 表层和深层神经元的神经振荡

工作记忆的保持主要体现为持续的 gamma 振荡，因此 PFC 的表层神经元在工作记忆中起到主导作用，但表层神经元的 gamma 振荡受到了深层神经元的 alpha/beta 振荡的单向调控，如图 7 所示。深层神经元很可能在工作记忆中起到控制活动存储空间中信息进入和消退的作用。

v2 06c2c08eca0d1dd84b41d0c3933d98b4 1440w — 图 7 PFC 中表层和深层的神经振荡模型

参考文献：

[1]. Cerebral cortex - Wikipedia

[2]. Balaram P, Kaas J H. Towards a unified scheme of cortical lamination for primary visual cortex across primates: insights from NeuN and VGLUT2 immunoreactivity[J]. Frontiers in neuroanatomy, 2014, 8: 81.

[3]. Bastos A M, Loonis R, Kornblith S, et al. Laminar recordings in frontal cortex suggest distinct layers for maintenance and control of working memory[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018: 201710323.