初级听皮层IV层中兴奋性微环路的功能和机制研究

Recent studies have reported that the interplay between excitatory and inhibitory neurons can significantly enhance the tuning of cortical neurons to different sound frequency and intensity. However most of the previous studies were focused on the role of inhibitory neurons to cortical functions while the direct interaction between local excitatory neurons remains largely unclear. Our previous work suggested that the excitatory microcircuit could be classified into two groups: fast excitatory microcircuit and slow excitatory microcircuit. We speculated that they're responsible for different cortical functions: fast excitation modulates the temporal pattern of excitatory neurons while slow excitation regulates the overall neuronal activity in the cortex. The two types of excitatory microcircuits may be generated by different subtypes of cortical neurons or the dynamics of intracelluar membrane potential. We plan to apply multiple techniques to investigate the classifications, mechanisms, functions and developmental changes of local intracortical excitation including in-vivo intrinsic signal optic imaging(ISOI), in-vivo electrophysiology(extracellular, intracellular and patchclamp), in-vivo optogenetics and histology. Our study will try to answer a fundamental question in the sensory cortex: how would local cortical excitatory neurons interact with each other and contribute to the information processing.

最近有研究表明：初级听皮层内兴奋性神经元及抑制性神经元之间的相互影响可以显著增强皮层神经元对声音刺激频率及强度的调谐。但这些工作大多着重于研究抑制性神经元对皮层功能的影响，而对邻近兴奋性神经元之间的直接作用和相关机制了解很少。我们的前期研究结果提示，初级听皮层IV层中兴奋性微环路有快速和慢速两大类型。我们推测两者可能与不同的功能有关：快速兴奋性微环路调控神经元反应的时域特性；慢速兴奋性微环路则调控神经元的整体发放频率。两者的产生可能源于不同的细胞亚型或膜电位水平的动态变化。为此本课题计划采用在体内源性光成像、在体电生理（包括在体胞外，胞内和在体膜片钳记录）、在体光遗传学以及形态学等手段，对初级听皮层IV层内兴奋性微环路的类型、产生机制、相应功能以及发育过程中的变化进行深入研究。以期阐明在活体动物感觉皮层中，邻近的兴奋性神经元之间如何相互作用，并协同对来自前级的信息进行加工这一基本科学问题。

针对活体动物听觉皮层中，兴奋性神经元之间如何相互作用，并协同对来自前级的信息进行加工这一基本科学问题，我们从细胞，群体以及邻近皮层间联系三个尺度进行了研究，着重探索了兴奋性环路所产生的兴奋性输入对频率选择性这一关键听觉特性的影响。在细胞水平上，我们发现锥体神经元发放的稳定性与时间精度主要取决于其接受的兴奋性突触输入，且稳定的抑制性突触输入可以提高神经元动作电位发放的可靠性。进一步研究发现在频率选择性上，听皮层神经元会表现出强度依赖的双向偏移，并且这种偏移主要来自继承于前级听觉通路的兴奋性投射。另外在少数听皮层神经元中，我们还在动作电位水平以及突触输入水平的频率调谐曲线上都观察到了周期性的频率选择偏好现象，提示这也是一种继承性的特质。在细胞群体尺度上，我们发现听皮层4层与5层的邻近神经元在频率选择性上表出明显的异质性，并首次从突触水平上解释了频率选择异质性在听皮层的产生主要是由于兴奋性输入与抑制性输入的错配。在皮层间尺度上，我们发现初级听皮层对于邻近的听皮层前区（AAF）存在着显著的兴奋性投射，进而能够引起听皮层前区神经活动在阈值以及频率选择范围上的改变。通过本课题的开展，我们进一步认识了兴奋性环路在听觉皮层乃至听觉信息处理中的重要作用：兴奋性环路所产生的的兴奋性突触输入对于神经元“放不放电”“如何放电”等一系列关键特性均能产生决定性影响，并且兴奋性/抑制性突触输入的平衡以及失衡会产生从功能到微拓扑结构等一系列的关键性改变。