高级听觉丘脑-皮层连接对声音信息处理及听觉选择性注意的调控研究

Although auditory selective attention plays a critical role in filtering and extracting acoustic information from a noisy environment, the underlying neural mechanisms remain unclear. In the visual system, increasing evidence showed that the ventrolateral part of the pulvinar, which is the higher-order visual thalamus, might be essential for visual gating and visual selective attention. Our preceding anatomical work revealed remarkable similarity between posterior intralaminar nucleus (PIN)/peripeduncular nucleus (PP), the two immediately adjacent sub-nuclei of the higher-order auditory thalamus, and ventrolateral pulvinar in their connectivity with the cortex, for example, they all project to cortical layer I, densely innervated association cortical areas, and receive more corticofugal inputs from layer V. In addition, our preliminary optogenetic experiment demonstrated that the activation of PIN/PP axonal fibers in the cortex could induce neural oscillations including gamma wave. Therefore, we speculated that the PIN/PP might be critically involved in the neural mechanisms underlying auditory selective attention. To test this hypothesis, we propose to record from the PIN/PP and connected cortical areas of behaving mice simultaneously and use more precise approach, e.g. optogenetics, to manipulate thalamo-cortical networks.

听觉选择性注意在嘈杂环境下声音信息的过滤和提取中发挥重要作用，但其背后的神经机制仍不清楚。在视觉系统中，越来越多的证据表明视觉高级丘脑腹外侧部可能在视觉信号门控和视觉选择性注意中发挥至关重要的作用。我们前期的解剖学研究发现高级听觉丘脑中两个紧密相邻的核团，后侧内层核（PIN）和脚核（PP），的皮层连接模式与视觉高级丘脑的腹外侧部非常相似，例如它们都投射到初级感觉皮层的第I层，对联合皮层区有密集投射，以及接收更多皮层第V层的下行投射等。另外，我们的光遗传学预实验表明激活PIN/PP到皮层的投射纤维能够诱发包括gamma波在内的神经振荡。因此，我们推测PIN/PP也许在听觉选择性注意背后的神经机制中扮演重要角色。我们计划在执行听觉选择性注意任务的动物的PIN/PP和皮层区域进行同步记录，以及使用更加精确的方法（例如，光遗传学）操控丘脑-皮层神经网络，来验证这些假设。

丘脑被认为是大脑中的关键枢纽区域。丘脑的感觉部分接收来自外围的直接感觉输入，并将感觉信息传递给各种皮层和皮层下目标。在感觉丘脑内，亚核团一般分为以下两种类型：一阶（FO）和高阶（HO）丘脑核团。FO丘脑核团中的神经元主要对单一模式的感觉刺激作出反应，并将与刺激特征相关的信息传递给初级感觉皮层。与FO丘脑核团相比，HO丘脑核团几乎在所有方面都知之甚少。为了突破相关知识的局限，我们通过使用各种方法，包括转基因小鼠、病毒追踪工具、光遗传学、双光子显微镜、EEG/EMG记录和很多行为学实验，系统地研究了HO听觉丘脑的听觉输入、调质型输入和功能输出。同时，我们与FO 听觉丘脑进行了比较，以突出其对应的HO部分的特征。我们的发现如下。首先，下丘不同分区中表达小清蛋白和生长激素抑制素的神经元分别对FO和HO听觉丘脑进行细胞类型特异性投射，为研究上行听觉通路中的信息处理提供了一个新的框架。其次，与FO听觉丘脑相比，HO听觉丘脑接收更多的神经调质输入，尤其是血清素能和胆碱能输入。分别释放这两种神经调节剂的神经元接收来自不同大脑区域的输入，表明HO听觉丘脑中的神经调制受不同机制的调节。第三，通过投射到多个下游结构，HO听觉丘脑对一系列行为都有贡献，这包括声音或蓝光诱发的睡眠到觉醒的转换、一般性觉醒的维持以及声音诱发的从运动到躲避的转换， 因此HO听觉丘脑的活动对于动物应对突然的环境变化可能很重要。同时，为了更好地研究丘脑系统，我们开发了一种基于离子液体的快速、无形变的组织透明化和玻璃化冷冻保存方法，可以避免晶体损伤并实现冷冻保存，在荧光光学成像过程中增强荧光，并且能够实现固定扩张组织的冷冻切片。总的来说，我们在解析HO听丘脑及其相关环路方面的系统性努力极大地加深了我们对这个神秘丘脑区域的理解，并为未来的研究提供了解剖学和功能学框架。