5月27日，Nature Communications期刊在線發(fā)表題為“Organization of Corticocortical and Thalamocortical Top-down Inputs in the Primary Visual Cortex”的研究論文。該研究由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院松江研究院/基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)與生理學(xué)系張思宇研究組完成,。該研究系統(tǒng)性地解析了多條自上而下輸入對初級視皮層V1的各亞層中不同類型神經(jīng)元的調(diào)控特征，闡明了多條自上而下輸入采取的差異化信息處理及互作的策略,。原文鏈接為https://www.nature.com/articles/s41467-024-48924-8。
完整的視覺感知依賴于從視網(wǎng)膜傳至高級區(qū)域自下而上的信息與來自高級腦區(qū)自上而下對于當(dāng)前任務(wù)需求的調(diào)制信號的整合,。對自下而上的視覺信息處理已有較深入的理解,，從視網(wǎng)膜進(jìn)入的不同模態(tài)的視覺信息，如顏色,、形狀,、運動方向等，會先由不同的通路進(jìn)行平行處理,，再到高級的皮層區(qū)域進(jìn)行整合處理形成統(tǒng)一的視覺認(rèn)知,。自上而下的調(diào)控信號也包含多樣的信息，如注意,、預(yù)期,、運動反饋等，但我們對傳遞不同調(diào)控信號的自上而下的通路如何在V1局部微環(huán)路中進(jìn)行差異化處理以及它們之間如何交互調(diào)控還知之甚少,。
研究團(tuán)隊結(jié)合光遺傳學(xué)和全細(xì)胞膜片鉗記錄系統(tǒng)性地解析了來自次級視皮層V2M,、扣帶回皮層ACA、眶額葉皮層ORBvl和丘腦后外側(cè)核LP的四條自上而下的輸入對V1各亞層興奮性神經(jīng)元Pyr和抑制性神經(jīng)元（L1-INs,、PV+,、SST+和VIP+神經(jīng)元）的調(diào)控強度。四條自上而下的投射在V1淺層L2/3部分重疊,，繞過中間層L4,，在深層L5和L6截然分開（圖1,2）。對興奮性神經(jīng)元而言,，V2M和ACA的輸入在L6最強，而LP和ORBvl輸入則在L5最強,。對抑制性神經(jīng)元而言,，VIP+神經(jīng)元在各層都有激活，而PV+和SST+神經(jīng)元則在深層被選擇性地激活,。
圖1 次級視皮層和扣帶回皮層輸入對初級視皮層局部微環(huán)路的調(diào)控
圖2 眶額葉皮層和丘腦后外側(cè)核輸入對初級視皮層局部微環(huán)路的調(diào)控
接下來,，研究團(tuán)隊解析了各條輸入在其輸入最強層的相互作用機(jī)制。實驗結(jié)果顯示，在L6,，所有接受ACA輸入的興奮性神經(jīng)元都同時接受V2M的輸入,，表明V2M和ACA輸入在L6興奮性神經(jīng)元上進(jìn)行了信息的整合處理。令人驚訝的是,，在L5,，大約一半的神經(jīng)元僅接受LP輸入，而另一半神經(jīng)元僅接受ORBvl輸入（命名為Pyr-LP 和Pyr-ORBvl）,，表明來自LP和ORBvl的輸入在L5興奮性神經(jīng)元的兩個子網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信息的并行處理,。
進(jìn)一步，通過Pathch-seq技術(shù)比較Pyr←LP 和Pyr←ORBvl神經(jīng)元的電生理特性和基因表達(dá),，及病毒逆行示蹤技術(shù)解析Pyr←LP和Pyr←ORBvl神經(jīng)元的下游支配區(qū)域等一系列的實驗,，證實這兩類神經(jīng)元分別屬于已知的IT和PT神經(jīng)元，分別把來自LP和ORBvl的信息傳遞至皮層和皮層下區(qū)域,。有趣的是,，LP輸入驅(qū)動Pyr←LP神經(jīng)元激活的同時會導(dǎo)致Pyr←ORBvl神經(jīng)元的間接抑制，同樣ORBvl輸入驅(qū)動Pyr←ORBvl神經(jīng)元激活時也會引起Pyr←LP神經(jīng)元的間接抑制,，表明LP和ORBvl輸入驅(qū)動V1 L5的IT和PT神經(jīng)元子網(wǎng)絡(luò)間的交互抑制（由PV+和SST+神經(jīng)元介導(dǎo)）,，從而實現(xiàn)子網(wǎng)絡(luò)功能的動態(tài)調(diào)控（圖3）。
圖3 眶額葉皮層和丘腦后外側(cè)核輸入在初級視皮層興奮性神經(jīng)元的兩個子網(wǎng)絡(luò)中平行處理且交互抑制
本研究系統(tǒng)性地解析了多條來自高級皮層和高級丘腦的自上而下輸入分別差異化調(diào)控初級視皮層各層內(nèi)的興奮性和抑制性神經(jīng)元的機(jī)制,，并首次闡明多條自上而下的輸入在皮層深層采用不同的相互作用策略進(jìn)行信息處理,，為研究多樣的自上而下調(diào)控信號在行為中的互作奠定了基礎(chǔ)。
該研究在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張思宇研究員和馬國芬副研究員的指導(dǎo)下,，主要由博士后劉燕梅和碩士生張嘉禾共同完成,，本科生江止善提供了協(xié)助，我們的長期合作者中科院腦智卓越中心的徐敏研究員及其團(tuán)隊的高級實驗師秦梅玲也作出了重要貢獻(xiàn),。該工作獲得科技部科技創(chuàng)新2030重大項目,、國家自然科學(xué)基金委員會、上海市,、中科院和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬松江區(qū)中心醫(yī)院的資助,。
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專家點評：
苑克鑫教授 （清華大學(xué)）
在中樞感覺研究領(lǐng)域，雖然自下而上的信息傳遞和特征提取機(jī)制是長期的關(guān)注焦點,，但實際上自上而下的反饋和調(diào)控也至關(guān)重要,，因為它在感覺信息的特異性過濾和放大中扮演著重要角色，為動物基于自身狀態(tài)和感覺經(jīng)驗適應(yīng)性地對外界環(huán)境作出反應(yīng)奠定了基礎(chǔ),，是生物智能的重要特征,。在神經(jīng)環(huán)路水平上揭示不同類型自上而下輸入的作用機(jī)制，將能夠為我們深入理解這種未得到充分關(guān)注的重要感覺信息處理機(jī)制,，理解感知背后的神經(jīng)基礎(chǔ),，提供新的見解,。
為實現(xiàn)以上目標(biāo)，張思宇團(tuán)隊最新發(fā)表的論文“Organization of Corticocortical and Thalamocortical Top-down Inputs in the Primary Visual Cortex”系統(tǒng)性地解析了多條自上而下的輸入對初級視皮層各亞層中不同種類神經(jīng)元的差異化調(diào)控,。他們發(fā)現(xiàn),，來自于次級視覺皮層、扣帶回皮層和丘腦后外側(cè)核的輸入在初級視皮層淺層L2/3部分重疊,，在深層分開：來自于次級視皮層和扣帶回皮層的最強輸入在L6,，而來自于丘腦后外側(cè)核的最強輸入則在L5?？纛~葉皮層的輸入比較特殊,，它不支配淺層神經(jīng)元，僅與深層L5的神經(jīng)元形成較強的連接,。與以往的研究結(jié)論不同的是,，該團(tuán)隊的工作發(fā)現(xiàn)VIP+神經(jīng)元在淺層和深層都被激活，而PV+和SST+神經(jīng)元則選擇性的在深層被激活,，這提示自上而下的調(diào)控在初級視皮層的淺層到深層可能出現(xiàn)由去抑制逐漸向抑制轉(zhuǎn)換的過程,。
有趣的是，該團(tuán)隊的工作還發(fā)現(xiàn)這幾條自上而下的輸入在深層采用了不同的相互作用策略,。來自次級視皮層和扣帶回皮層的輸入在L6支配同一群興奮性神經(jīng)元進(jìn)行信息的整合處理,；與之相反，來自于眶額葉皮層和丘腦后外側(cè)核的信息分別進(jìn)入初級視皮層L5的PT和IT神經(jīng)元子網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行平行處理,，并且引發(fā)這兩個子網(wǎng)絡(luò)間的交互抑制,。該團(tuán)隊的這一發(fā)現(xiàn)與以往認(rèn)為PT神經(jīng)元主要接受IT神經(jīng)元的輸入的研究結(jié)論是顯著不同的，為我們理解這兩類神經(jīng)元在動物行為中的差異化放電提供了神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ),，也為研究攜帶不同行為相關(guān)信息的自上而下的輸入在初級視皮層如何相互作用從而最終優(yōu)化動物基于視覺信息進(jìn)行行為抉擇奠定了重要基礎(chǔ),。
當(dāng)前位置：
