上海生科院揭示視皮層的下行反饋選擇性地調節

上海生科院揭示視皮層的下行反饋選擇性地調節
從丘腦到視皮層的視覺信息輸入

2017-01-25 上海生命科學研究院

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　　大腦的一個顯著特徵——以視覺系統為例——是來自外界的感覺刺激的獲取以及認知的產生是由大腦皮層內相互平行的上行投射與下行反饋神經系統共同完成的。在神經突觸連接的數量上，神經元下行反饋遠大於上行投射，揭示這些廣泛分布的神經反饋的功能、組織結構以及它們如何參與調控、整合上行投射視覺信號的神經機制是當前視覺神經科學家的重大挑戰。2016年12月17日，《大腦皮層》（Cerebral Cortex）期刊在線發表了中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所、神經科學國家重點實驗室以及腦科學與智能技術卓越創新中心王偉研究組題為《視皮層反饋對丘腦外膝體神經元感受野反應特性的局部增益調節》的研究論文。該研究採用在體神經電生理和神經藥理學實驗方法，探索初級視皮層第6層反饋神經元是如何通過調製丘腦外膝體神經元感受野的空間反應特性，從而調製視覺信號在丘腦外側膝狀體和初級視皮層神經環路中的信息加工和處理。

　　利用當前最新的光遺傳學手段，在大小鼠模型上研究視覺反饋的功能，獲得了很大進展，但由於是大面積光照刺激視皮層整體表面，而非局部定點直接光刺激第6層反饋神經元，因此所揭示的是非專一的視皮層整體反饋調控效應。通過微電泳GABA_B受體拮抗劑，局部增強（Focal activation）視覺模型動物貓初級視皮層V1區第6層群體細胞的反應（即在一個方位選擇性功能柱內的定點局部區域），王偉等研究了背外側膝狀核（外膝體）單細胞感受野的二維空間結構和反應增益的因果變化關係（causal relationship）（圖1）。研究發現，這種局部定點增強的視皮層第6層反饋輸入可以增強或抑制外膝體神經元的視覺反應。受調製的外膝體神經元的感受野，存在視網膜空間位置的拓撲特異性，即與視皮層神經元的最優方位朝向密切相關。此外，局部定點增強的視皮層反饋輸入還造成了外膝體神經元感受野的增大、縮小或感受野中心的漂移，這些細胞感受野位置的變化，與在高級皮層區域觀察到的空間注意的效果一致。這些結果表明，視皮層第6層反饋神經元，可以根據視皮層神經元的視覺偏好特徵，調節丘腦神經元的反應增益和空間濾波特性。因此，通過丘腦—視皮層—丘腦神經環路（reciprocal circuits），V1第6層反饋神經元可以靈活地調節與視皮層神經元反應特性相關聯的視覺信息，從丘腦流向視皮層（圖2），從而動態地適應不斷變化的視覺環境和視覺任務。

　　預測編碼理論（「貝葉斯大腦」）是目前最流行的關於大腦是如何工作的重要假說，它提供了適用於從突觸到精神分裂症等複雜疾病的一個大腦工作原理框架，用來了解大腦內在連接和工作模式。王偉等的早期研究發現（Wang et al., Nat.Neurosci. 2006; Andolina et al., PNAS, 2007）已被使用預測編碼理論的視覺計算模型成功預測和模擬。該研究工作為自上而下的視覺感知計算建模增加了另一個維度空間。

　　該工作由神經所研究員王偉、副研究員Ian M. Andolina、博士後陸一梁及其倫敦大學學院（UCL）的合作者，在中國國家自然科學基金資助項目31571078和81601628、「973」項目、神經科學國家重點實驗室、BBSRC-G022305和MRC-G0701535支持下完成。

 

　　圖1：A，研究方法和實驗流程。V1的第6層提供> 60％的單和雙突觸輸入到丘腦外膝體（dLGN）。研究人員使用微電泳方法在V1區第6層施加GABA_B拮抗劑CGP，定點地局部增強V1反饋細胞的視覺反應，並同時記錄多個dLGN細胞二維空間感受野（RF）的反應。B，在V1的因果藥理學操縱之前，期間和之後的V1和dLGN的細胞RF示例圖。C，兩個同時記錄到的dLGN細胞顯示在V1因果操作期間其反應增益的變化，一個增加（細胞2）， 另一個則減少（細胞1）。D，大多數因果效應與V1細胞的最優方位調諧功能相關。

 

　　圖2：當前工作總結：前饋與反饋神經投射和功能連接（Functional connectivity），其一個重要特徵是反饋的調節功能匹配前饋神經連接的功能特異性。

　　大腦的一個顯著特徵——以視覺系統為例——是來自外界的感覺刺激的獲取以及認知的產生是由大腦皮層內相互平行的上行投射與下行反饋神經系統共同完成的。在神經突觸連接的數量上，神經元下行反饋遠大於上行投射，揭示這些廣泛分布的神經反饋的功能、組織結構以及它們如何參與調控、整合上行投射視覺信號的神經機制是當前視覺神經科學家的重大挑戰。2016年12月17日，《大腦皮層》（Cerebral Cortex）期刊在線發表了中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所、神經科學國家重點實驗室以及腦科學與智能技術卓越創新中心王偉研究組題為《視皮層反饋對丘腦外膝體神經元感受野反應特性的局部增益調節》的研究論文。該研究採用在體神經電生理和神經藥理學實驗方法，探索初級視皮層第6層反饋神經元是如何通過調製丘腦外膝體神經元感受野的空間反應特性，從而調製視覺信號在丘腦外側膝狀體和初級視皮層神經環路中的信息加工和處理。
　　利用當前最新的光遺傳學手段，在大小鼠模型上研究視覺反饋的功能，獲得了很大進展，但由於是大面積光照刺激視皮層整體表面，而非局部定點直接光刺激第6層反饋神經元，因此所揭示的是非專一的視皮層整體反饋調控效應。通過微電泳GABAB受體拮抗劑，局部增強（Focal activation）視覺模型動物貓初級視皮層V1區第6層群體細胞的反應（即在一個方位選擇性功能柱內的定點局部區域），王偉等研究了背外側膝狀核（外膝體）單細胞感受野的二維空間結構和反應增益的因果變化關係（causal relationship）（圖1）。研究發現，這種局部定點增強的視皮層第6層反饋輸入可以增強或抑制外膝體神經元的視覺反應。受調製的外膝體神經元的感受野，存在視網膜空間位置的拓撲特異性，即與視皮層神經元的最優方位朝向密切相關。此外，局部定點增強的視皮層反饋輸入還造成了外膝體神經元感受野的增大、縮小或感受野中心的漂移，這些細胞感受野位置的變化，與在高級皮層區域觀察到的空間注意的效果一致。這些結果表明，視皮層第6層反饋神經元，可以根據視皮層神經元的視覺偏好特徵，調節丘腦神經元的反應增益和空間濾波特性。因此，通過丘腦—視皮層—丘腦神經環路（reciprocal circuits），V1第6層反饋神經元可以靈活地調節與視皮層神經元反應特性相關聯的視覺信息，從丘腦流向視皮層（圖2），從而動態地適應不斷變化的視覺環境和視覺任務。
　　預測編碼理論（「貝葉斯大腦」）是目前最流行的關於大腦是如何工作的重要假說，它提供了適用於從突觸到精神分裂症等複雜疾病的一個大腦工作原理框架，用來了解大腦內在連接和工作模式。王偉等的早期研究發現（Wang et al., Nat.Neurosci. 2006; Andolina et al., PNAS, 2007）已被使用預測編碼理論的視覺計算模型成功預測和模擬。該研究工作為自上而下的視覺感知計算建模增加了另一個維度空間。
　　該工作由神經所研究員王偉、副研究員Ian M. Andolina、博士後陸一梁及其倫敦大學學院（UCL）的合作者，在中國國家自然科學基金資助項目31571078和81601628、「973」項目、神經科學國家重點實驗室、BBSRC-G022305和MRC-G0701535支持下完成。
 
　　圖1：A，研究方法和實驗流程。V1的第6層提供> 60％的單和雙突觸輸入到丘腦外膝體（dLGN）。研究人員使用微電泳方法在V1區第6層施加GABAB拮抗劑CGP，定點地局部增強V1反饋細胞的視覺反應，並同時記錄多個dLGN細胞二維空間感受野（RF）的反應。B，在V1的因果藥理學操縱之前，期間和之後的V1和dLGN的細胞RF示例圖。C，兩個同時記錄到的dLGN細胞顯示在V1因果操作期間其反應增益的變化，一個增加（細胞2）， 另一個則減少（細胞1）。D，大多數因果效應與V1細胞的最優方位調諧功能相關。
 
　　圖2：當前工作總結：前饋與反饋神經投射和功能連接（Functional connectivity），其一個重要特徵是反饋的調節功能匹配前饋神經連接的功能特異性。

列印 責任編輯：葉瑞優