利用清醒猴双光子成像研究初级视皮层V1神经元编码

One of the core problems in brain and cognitive research is how the primate cortex represents the visual world. Previous neurophysiological investigations are limited by the number of neurons that can be monitored simultaneously and the number of stimuli that can be tested, which potentially provided an incomprehensive understanding of the neural coding in visual cortex. In this application, we will use two-photon microscope to image thousands of neurons with single cell resolution in primary visual cortex V1 in awake and behaving macaque monkey. The neuronal activities will be probed by a genetically-encoded calcium indicator GCaMP5 introduced by the micro-injection of an adeno-associated virus (AAV) into V1. We will investigate the responses of large neuronal population tothousands of natural images stimuli, and analyze the sparseness and selectivity of these neuronal responses to find novel neuronal properties and new mechanism in V1 neural coding, and finally build new computational models and theories of V1.

理解视皮层如何编码外部世界，是脑认知研究的核心问题之一。以往的神经生理学研究，受限于观测神经元和被测视觉刺激的数量，对视皮层神经元编码的理解可能是片面的。在该项申请中，我们拟采用双光子成像技术，在猴清醒及行为状态下，对其初级视皮层V1中，多达数千个神经元进行单细胞分辨率成像。在猴初级视皮层中，通过显微注射AAV（腺相关病毒）转入基因编码的钙探针GCaMP5，探测神经元的活动，检测其对数千个自然图片刺激的反应，并对神经元反应的稀疏性、特征选择性进行分析，获得初级视皮层神经元新的反应特性和新的编码机制，建立新的初级视皮层计算模型和理论。

理解视皮层如何编码外部世界，是脑认知研究的核心问题之一。以往的神经生理学研究，受限于观测神经元和被测视觉刺激的数量，对视皮层神经元编码的理解可能是片面的。在该项目中，我们采用双光子成像技术，在猴清醒及行为状态下，对其初级视皮层V1中，多达数千个神经元进行单细胞分辨率成像。在猴初级视皮层中，通过显微注射AAV(腺相关病毒)转入基因编码的钙探针GCaMP5，探测神经元的活动，检测其对不同视觉刺激的反应，并对神经元反应的稀疏性、特征选择性进行分析，获得初级视皮层神经元新的反应特性和新的编码机制，建立新的初级视皮层计算模型和理论。在该项目资助下，我们取得了如下重要进展： 1.实现了全光学的清醒猴光遗传技术，2.开发清醒猴树突成像技术，并阐述了初级视皮层（V1）神经元兴奋性树突输入的空间分布与功能特征，3.发现V1中的格子检测细胞，4.揭示了V1对知觉颜色空间的三维表征，5.揭示猕猴V1至V4皮层中颜色信息的阶梯表征，6.详述V1中单个神经元的朝向偏好和局部的朝向偏好图，7.详述V1中空间频率调制的功能组织，8.揭示V1对二阶对比度调制刺激反应的神经生理机制，9.发现了众多体积小的V1神经元对复杂形状的稀疏选择性反应，10.发现V1神经元对自然图片刺激的超稀疏编码， 以及11.进一步利用卷积神经网络CNN建模，提出V1神经元新的编码机制。此外，在该项目资助下还取得了以下两项重要进展：12.发现猕猴视觉皮层V4中表征中等复杂度形状特征的功能区，13.揭示大脑序列工作记忆的编码机制。