初级视觉皮层功能结构研究获进展

5 月 14 日,中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室蒲慕明研究组在《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了题为《初级视觉皮层中内部连接及反馈连接的功能结构》的研究文章。这项工作建立了一套旨在研究脑区间连接的双色钙成像方法,并利用这种方法对树鼩中投射至初级视觉皮层(V1)的两条输入通路的功能结构进行了探讨。

大脑皮层是由负责不同功能的很多区域所组成的。即使在单个区域内,神经元的功能也常常根据其在皮层上的位置展现出精密的组织规律。例如,在高等动物的 V1 中,对不同视觉朝向起反应的神经元并非无序地混杂在一起,而是以一种风车状(pinwheel-like)结构分布在皮层上。既然神经元的反应特性是由它们所接受的上一级输入所决定的,那么 V1 风车状功能结构的产生是由什么样的输入通路导致的?这些输入通路是否具有风车状的功能结构?这些疑问是困扰了视觉皮层研究者们多年的难题。

为了解决这个问题,蒲慕明研究组首先建立了一套基于突触前定位的钙指示蛋白的双色钙成像方法。研究者们将钙指示蛋白连接到囊泡蛋白上,成功实现了钙指示蛋白的突触前定位,并进一步构造了多种具有不同颜色和反应特性的版本。这样,研究者们就可以将具有不同颜色的钙指示蛋白表达到不同的输入通路上,并通过双色钙成像同时测量这些不同通路的反应特性,进而比较它们的功能结构。

使用这种策略,研究者们发现在投射至 V1 的输入通路中,来自 V1 本身的内部连接(intrinsic connection)和来自次级视觉皮层(V2)的反馈连接(feedback connection)都存在着风车状的功能结构。通过和 V1 神经元本身的功能结构的比较,研究者们发现 V1 内部连接的结构与之有着精准的对齐,而 V2 至 V1 的反馈连接则相对较为散乱。这意味着 V1 的不同输入通路在其功能结构产生过程中存在着不同的作用。

除了揭示了投射至初级视觉皮层的输入通路的功能结构之外,这项工作所建立的双色钙成像技术有望应用于多种研究体系,成为研究脑区之间连接的功能结构的一种通用手段,为神经科学的研究者们提供一种新的工具。

这项工作由张清芳、李昊作为共同第一作者,在副研究员温云卿和研究员蒲慕明的指导下完成。课题受中科院战略性先导科技专项(B 类)“脑功能联结图谱计划”、中科院前沿科学重点研究计划、中科院国际伙伴计划、国家自然科学基金、上海市基础研究重点项目、科技部“973”项目等资助,在神经所独立完成。

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初级视觉皮层内部连接的朝向图,其风车状功能结构和初级视觉皮层本身的功能结构非常相似。比例尺为 100 微米。

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