猕猴前额叶皮层中与工作记忆和注意相关的功能结构及其可塑性研究

As part of the cerebral cortex, the prefrontal cortex (PFC) is a critical area in the brain for cognitive behavior. Humans with prefrontal damage often have impairment in "executive functions," which are critical for the cognitive control of behavior. Currently, dysfunction of the PFC and related networks is thought to underlie many of the cognitive and behavioral impairments associated with mental disorders. In non-human primates, electrophysiological data suggest that PFC neurons are responsible for basic cognitive functions, such as working memory, long-term memory, and attention. Despite intense research efforts, the basic functional organization of the PFC for cognitive function representation is still unclear. Recent research suggests that the PFC has the capacity to reorganize the representation of cognitive functions after learning or training. In this project, we will explore the functional organization of working memory and attention with respect to visual spatial and feature information in the PFC of macaque monkeys. We will incorporate a variety of research techniques in this project, including intrinsic signal optical imaging, micro-electrocorticography, multi-electrode array, and neuronal tracing. Studying cognitive functioning in the macaque PFC will help clarify human PFC functions that underlie mental disorders, and will assist in the development of diagnostic methods and future neuroprosthetic applications for these diseases.

前额叶皮层（prefrontal cortex）是调控认知行为的一个重要脑区。前额叶皮层受损的人通常会有"执行功能"（使人能有意识的控制行为）障碍。目前，许多认知行为障碍被认为与前额叶皮层及相关网络的功能异常有关。来自非人灵长类的研究证据显示，前额叶皮层中的神经元负责实现基本的认知功能，如工作记忆、长时程记忆、注意。尽管进行了大量的研究，但至今仍不清楚前额叶皮层内表征认知功能的基本功能结构是什么。最新研究显示，经过学习训练，前额叶皮层能重构其对认知功能的表征。本课题将针对视觉空间和特征信息处理，探索猕猴前额叶皮层中与工作记忆、注意相关的功能结构。将使用内源信号光学成像，微米级脑皮层电图，多电极阵列记录以及神经示踪技术等多种研究手段。研究猕猴前额叶皮层的认知功能，将帮助阐明人类前额叶皮层功能与精神异常间的关系，并推动相关精神疾病诊断方法以及未来治疗应用技术的开发。

前额叶皮层（PFC）是十分重要的大脑区域，约占人脑皮层区域的29%，负责各种高级认知功能，包括工作记忆、长期注意力和决策等。PFC及其脑网络的异常与精神疾病有关，如精神分裂症、ADHD、药物成瘾和自闭症。然而，与认知功能相关的前额叶皮层功能组织尚不清楚。本项目旨在研究猕猴PFC区域工作记忆和注意力的功能组织。.我们探究了PFC中的神经机制，这些机制是外部视觉输入产生的视觉体验与基于从记忆中检索到的工作记忆而产生的视觉经验之间的差异的基础：PFC被认为是整合了这些信息，先前的研究表明PFC使用神经振荡来控制感知、工作记忆以及其他认知过程。我们训练猴子执行颜色回忆任务，并使用高密度皮质电图（ECoG）记录PFC的局部场电位。然后，我们使用多元变量分类分析PFC中的神经振荡模式。我们发现，θ波和β波的不同模式编码了视觉输入和工作记忆信息。这一发现表明了PFC中工作记忆的频率特异性功能组织。该结果发表在2022年的《细胞报告》中。.我们还研究了视觉皮层中处理颜色信息的功能组织，这与前额叶皮层的工作记忆和注意力功能有关。我们使用内源信号光学成像来可视化视觉皮层中被色调刺激激活的区域。我们发现，视觉皮层中表征色调的功能组织从低阶到高阶变得更加平衡，这适用于处理注意力和工作记忆中的颜色信息。该结果发表在2022年的《神经科学前沿》杂志上。.该项目率先使用ECoG解码内部生成的工作记忆信息。ECoG具有微创性，同时拥有高时间和高空间信号分辨率，是一种很有前景的脑机接口脑信号记录设备。这一成果有望给开发使用基于ECoG读取心理信息的脑机接口奠定了基础。