恐惧及相关负性情绪反应中猕猴杏仁核与视皮层的相互作用研究

Fear learning and memory formed by fear conditioning has been used as a classical model for studying the neural circuitry underlying emotional responses as well as learning and memory in the brain. Previous neurobiological studies mainly focus on the microcircuitry within amygdala in rodents, and few studies have explored the interactions between amygdala and sensory cortices. In primates such as humans and monkeys, which possess highly developed visual system, fear responses are often evoked by visual stimulation. However, it remains largely unknown how fear-related information is rapidly extracted from visual inputs, and how the fear-related visual information is processed and represented through the interactions between the visual cortex and amygdala. In this proposed project, by simultaneous recordings from the primary visual cortex and amygdala using multi-electrode arrays, we are going to investigate into these important questions in awake behaving monkeys. Using the conventional paradigms of fear conditioning and fear extinction, we will also examine the dynamics of neuronal responses in amygdala and visual cortex during processing of visual features that are associated or dissociated with the fear information. In addition, using electric micro-stimulation and pharmacological manipulation of amygdala responses, we will further explore the interactions between the amygdala and visual cortex in fear conditioning. The proposed studies will make significant contributions to understanding of the neural circuitry underlying emotional responses and memories.

恐惧及其记忆是研究情绪反应以及学习和记忆的经典模型之一。之前相关的神经生物学研究主要在鼠等相对低等的动物上展开，主要集中在杏仁核内部的环路，较少关注杏仁核与感觉中枢的相互作用。在视觉系统高度发达的灵长类动物中，恐惧常由视觉输入引发。然而，诱发恐惧的视觉输入中所包含的相关情绪信息如何被快速抽提、这些情绪相关的视觉信息如何通过杏仁核与视觉皮层之间的相互作用被加工和表征等问题则罕有研究。本项目将以清醒猕猴为实验对象，采用多通道电生理技术对初级视觉皮层和杏仁核进行同步记录，深入探讨这些重要问题。该项目还将利用恐惧记忆形成和消退的实验范式，探讨不具有情绪信息的视觉特征在被赋予或撤销恐惧信息的过程中，杏仁核—视觉皮层环路对其加工的动态变化过程。此外，通过电刺激和药理学干预杏仁核的反应，进一步揭示恐惧反应和学习过程中杏仁核和视觉皮层之间的交互作用。研究对于揭示情绪和记忆的神经环路机制将具有重要的意义。

基于行为观察的心理物理学研究表明，与恐惧等负性情绪关联的视觉信息在学习和记忆过程中通常被优先和快速的加工，但其具体机制不明。本项目旨在研究在这种快速加工中，视觉图像所包含的情绪相关信息如何被快速抽提，以及这些情绪相关的视觉信息如何通过杏仁核与视觉皮层之间的相互作用被加工、表征和存储。为此，我们以视觉系统和人接近的猕猴为实验对象，通过恐惧条件学习（fear conditioning）的实验范式，将某一简单的视觉刺激特征（例如光栅条纹的朝向）赋予恐惧信息（与面部强气流吹气建立关联）。在此过程中，我们采用植入式电极阵列和线性电极阵列对初级视觉皮层（V1）和杏仁核进行同步记录。分析发现，恐惧相关的信息可以非常快速地影响视觉信息的加工，导致从V1输出的视觉信息的早期成分中同时也携带了习得的恐惧信息。此外在恐惧条件学习过程中，杏仁核与V1的神经信号之间在较低频段（<25 Hz）和较高频的γ段（60-80 Hz）存在相互作用，这些相互作用可能是V1可塑性变化的神经基础。我们还对比了恐惧条件学习对V1编码的影响与外源性注意调控以及其他几种非陈述性学习记忆的异同。研究发现，不同于恐惧条件学习，其它类型的视觉学习（自动的非联想性学习,non-associative learning；主动的知觉学习，perceptual learning）主要影响V1神经元反应的晚期成分。为了揭示V1和杏仁核之间的相互驱动关系，我们还开发了用于分析脑区之间相互驱动关系的数学工具，并搭建了清醒猕猴光遗传实验平台，为后继在本项目基础上进一步深入研究杏仁核与V1神经元的相互作用机制奠定了基础。本项目取得的研究成果对于揭示情绪和记忆的神经环路机制有重要的意义。