丘脑枕核在视觉信息处理中的作用及其机制研究

Pulvinar is an important, higher order thalamic visual nucleus. They receive inputs from and send outputs to the cerebral cortex, mostly visual cortex, through two pathways: 1. thrans-pulvinar feedforward pathway: they receive inputs from one cortex and send outputs to another cortex; 2. feedback pathway: they receive inputs and send back outputs to the same cortex. Pulvinar is critical in regulating visual processing, however, the mechanisms underneath is slightly known. In this application, we intend to investigate this problem in three steps. First, we divided pulvinar neurons into different sub-populations based on their output regions which are supposed to control specific behaviors, and study the direct inputs to these neurons in whole brain dimension, and make 3D anatomical map. Second, we focus on the visual processing related subpopulation LP→V1 (LP neurons send output to V1) and LP→ACA (LP neurons send output to ACA) neurons, study their electrophysiology property when activating the main input brain region, as well as the features they innervate the downstream region. Third, study the neuron activity of these two group of neurons during mouse are doing visual discrimination task using fiber photometry, then, manipulate LP→V1 and LP→ACA neurons in the specific period when mouse are doing the task and illustrate the casual effect between LP→V1 and LP→ACA neuronal activity and the performance of visual discrimination. The project enable us to know better about pulvinar through the fine anatomical connectivity and function connectivity, and to reveal the mysterious mechanism of how pulvinar integrates input information and sends output information to optimize cognition behaviors.

丘脑枕核是重要的视觉核团，它与视觉网络各皮层间形成复杂的前馈通路（皮层→丘脑枕核→皮层）及反馈通路（皮层↔丘脑枕核），在视觉信息处理中起到重要的调节功能，但调节机制尚不明确。本项目拟从三个方面对其进行研究：一，根据支配下游区域的不同对丘脑枕核神经元进行分类，研究主要亚群的输入特性，编制3D解剖学图谱；二，研究支配视皮层和支配扣带回皮层的枕核神经元亚群（LP→V1和LP→ACA）所接收的主要输入的电生理特性，并研究它们对所支配的皮层中各类神经元的输出的电生理特性，为理解其在行为中的功能奠定基础；三，记录LP→V1和LP→ACA两类神经元在视觉辨别行为中的反应，并据此以光遗传学的方法在行为的不同阶段分别操控这两群神经元，以研究其对视觉辨别行为的调控。我们有望获得对丘脑枕核的精细解剖学连接组及功能学连接组更清楚的认识，为进一步研究丘脑枕核如何整合来自不同区域的信息从而优化认知行为的机制奠定基础。

V1的层级结构拓宽了V1的信息处理维度，使信息的传递和修饰更精细，复杂和灵活。V1接收大量起始于不同高级脑区的自上而下的反馈修饰，这些输入是以何种方式招募V1内的神经元以及这些招募方式是否具有脑区特异性到目前为止仍缺乏系统的研究。通过经典的光遗传结合电生理记录的方式，我们比较研究了处于不同等级位置的脑区到V1的自上而下的反馈投射在招募位于不同层内的V1神经元时的突触后特性。我们选取了次级视觉皮层（V2M），高级皮层的扣带回皮层（ACA）以及高级丘脑核团的丘脑枕核区域（LP） 三个脑区。解剖数据首先揭示了这三条投射的突触末端在V1内的层级分布，继而通过激活各条投射的突触末端，我们记录了各亚层内的神经元的突触后电位（EPSP），结果显示三条投射都对深层的神经元具有较强的支配，显著的强于对浅层神经元的支配。已有文献大多都忽视了这一信息，我们的研究首先为反馈修饰通过招募深层V1脑区参与到相关功能的机制提供了细胞学研究基础。另外，我们发现LP输入激活招募到的V1神经元的分布与来自皮层的激活存在明显的差异，LP显著激活了位于第5层（L5）的V1神经元。通过大量细胞记录，我们发现L5存在两类神经元亚类，一类对LP的激活强烈响应，而另一类则完全不响应。通过机器学习的方法，我们以LP激活引发的EPSP和细胞膜特征参数slope，训练了支持向量机（SVM）分类器，发现这些分类器可以完美的将我们记录到的L5内的神经元分为两类。实现了slope参数分类之后，我们采用patch-seq的单细胞ｍRNA测序，从分子表达水平上进一步对L5的两类神经元进行了研究。我们的结果揭示LP投射完全避开了投向丘脑的锥体神经元，比如位于L5中投向LP和上丘的神经元以及位于L6投向dLGN 的神经元。相应的ACA的投射也选择性的避开了这类神经元，而处于较低等级的V2M对深层神经元的支配却没有选择性。