8月25日，《Nature Communications》期刊在線發(fā)表題為《A Frontal Transcallosal Inhibition Loop Mediates Interhemispheric Balance in Visual Processing》的研究論文，該研究由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張思宇研究組與中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）徐敏研究組合作共同完成。研究基于小鼠二選擇非強(qiáng)迫視覺(jué)變化檢測(cè)行為，綜合運(yùn)用單細(xì)胞鈣成像、光遺傳以及腦片電生理等多項(xiàng)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)前扣帶回皮層ACA間存在由跨胼胝體投射的錐體神經(jīng)元CPN和接受跨胼胝體投射的PV+神經(jīng)元（PV+cal neuron）組成的抑制性通路，該環(huán)路控制雙側(cè)半球間跨胼胝體抑制平衡從而在視覺(jué)空間信息處理中發(fā)揮重要作用。在一側(cè)前額葉受損的情況下，增強(qiáng)受損對(duì)側(cè)前額葉PV+神經(jīng)元活性從而重平衡雙側(cè)半球間活性可糾正受損導(dǎo)致的視覺(jué)空間偏好，與靈長(zhǎng)類中觀察到的“Sprague effect”類似，提示前扣帶回主要參與視覺(jué)空間變化檢測(cè)中視覺(jué)選擇性注意相關(guān)成分。
兩側(cè)大腦半球之間的信息交流對(duì)于感覺(jué)信息的處理至關(guān)重要，而胼胝體作為大腦中最大的白質(zhì)結(jié)構(gòu)，連接了許多腦區(qū)[1]。過(guò)去的研究發(fā)現(xiàn)，額頂葉皮層損傷導(dǎo)致的跨胼胝體抑制失衡會(huì)打破兩側(cè)大腦之間的活性平衡，嚴(yán)重時(shí)動(dòng)物會(huì)出現(xiàn)忽視損傷對(duì)側(cè)空間中出現(xiàn)的視覺(jué)刺激的情況[2]。然而，這一現(xiàn)象背后的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制仍不明確。
為了探究這一問(wèn)題，研究人員改進(jìn)了視覺(jué)刺激變化檢測(cè)任務(wù)[3]，通過(guò)將視覺(jué)刺激置于小鼠兩側(cè)單眼區(qū)從而有利于檢測(cè)雙側(cè)半球間的相互作用，再通過(guò)單細(xì)胞鈣成像技術(shù)記錄了小鼠在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中扣帶回皮層區(qū)域的跨胼胝體投射錐體神經(jīng)元CPN活動(dòng)情況（圖1）。
圖1
記錄結(jié)果顯示，偏好對(duì)側(cè)視覺(jué)刺激反應(yīng)的CPN數(shù)量要明顯多于偏好同側(cè)刺激的CPN，而且平均記錄到的所有CPN的反應(yīng)顯示在對(duì)側(cè)任務(wù)中的反應(yīng)強(qiáng)于同側(cè)任務(wù)中的反應(yīng)，說(shuō)明CPN主要負(fù)責(zé)處理對(duì)側(cè)空間的視覺(jué)信息。光遺傳激活CPN使對(duì)側(cè)行為變好，同側(cè)行為變差，抑制則得到相反的結(jié)果（圖2），這表明CPN調(diào)控了雙側(cè)半球間ACA競(jìng)爭(zhēng)性的相互作用。
圖2
而抑制CPN位于對(duì)側(cè)ACA的軸突末梢與抑制這些CPN的胞體引起的行為變化類似，表明跨胼胝體投射是ACA的CPN調(diào)控該行為的主要通路（圖3）。
圖3
為了進(jìn)一步探究CPN是通過(guò)何種類型的中間神經(jīng)元抑制對(duì)側(cè)興奮性神經(jīng)元，作者使用了偽狂犬病毒逆向示蹤技術(shù)，發(fā)現(xiàn)對(duì)側(cè)ACA腦區(qū)中的興奮性神經(jīng)元以及三種主要的中間神經(jīng)元（PV+，SST+，VIP+ neurons）都接受CPN的支配。腦片電生理的結(jié)果顯示，CPNs主要是通過(guò)PV+神經(jīng)元，尤其是接受跨胼胝體強(qiáng)輸入的PV+cal神經(jīng)元來(lái)選擇性抑制對(duì)側(cè)ACA腦區(qū)的CPN，從而形成了一條跨胼胝體的抑制性環(huán)路（圖4）。
圖4
更為重要的是，在單側(cè)ACA受損小鼠的受損對(duì)側(cè)ACA區(qū)域短暫提高PV+神經(jīng)元的活性（僅在任務(wù)學(xué)習(xí)階段提升PV+神經(jīng)元活性）可以逆轉(zhuǎn)單側(cè)ACA受損帶來(lái)的視覺(jué)空間偏好，并長(zhǎng)期提升損傷對(duì)側(cè)的視覺(jué)變化檢測(cè)表現(xiàn)（圖5）。臨床上部分單側(cè)額頂葉視覺(jué)選擇性注意網(wǎng)路受損的中風(fēng)病人會(huì)表現(xiàn)出忽視損傷對(duì)側(cè)空間視覺(jué)刺激的半側(cè)空間忽視癥，該工作提示增強(qiáng)受損對(duì)側(cè)的跨胼胝體抑制可能是治療相應(yīng)注意缺陷疾病的新思路。
圖5
該研究在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張思宇研究員與中科院腦智卓越中心徐敏研究員的指導(dǎo)下，由博士生王彥婕、陳兆南以及副研究員馬國(guó)芬共同完成，交大醫(yī)學(xué)院的博士研究生王麗昭、博士后劉燕梅、本科生吳一帆以及腦智卓越中心的高級(jí)實(shí)驗(yàn)師秦梅玲、博士生費(fèi)翔也作出了重要貢獻(xiàn)。該工作獲得科技部科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、上海市和中科院的資助。
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