皮层反馈投射在视觉学习行为中的作用

Cortical feedback projections play important roles in modulating sensory information processing and sensory guided behavior. In the primary visual cortex (V1), the functional properties of neurons are adapted to the task demand, sensory experience, and perceptual learning. One possible mechanism underlying the dynamics of V1 processing is the top-down influences mediated by cortical feedback projections. A recent work on the cortical connectivity map in mouse showed that V1 receives feedback projection from the orbitofrontal cortex (OFC). Although previous studies have shown that OFC is important for learning and decision making, it remains unclear how feedback projection from OFC to V1 influences visual processing and visual learning behavior. Our preliminary data showed that optogenetically activating the projection from OFC to V1 could reduce the response amplitude of V1 neurons and influence the performance of visual behavior in mice. In this proposal, by using Go/No-go visual behavior in head-fixed mice, optogenetic manipulation of OFC to V1 projection, electrophysiological recording from V1 and OFC neurons in behaving mice, we will examine how the feedback projection from OFC to V1 modulates visual learning behavior. This study will be an important step to understand how cortical feedback projection causally contributes to the learning of sensory-guided behavior.

皮层反馈投射对于调节感觉信息编码和感觉引导行为有重要作用。初级视皮层（V1）的信息处理能够随着动物的任务需求和学习经验发生适应性的变化，皮层反馈投射是介导V1神经元信息处理动态性的神经机制之一。小鼠的脑连接组工作发现，V1接受眶额叶皮层（OFC）的反馈投射。大量工作表明OFC对动物的学习和抉择行为有重要作用，但是OFC向V1的反馈投射怎样调节V1神经元的视觉反应和动物的视觉学习行为还不清楚。我们的初步实验发现，光遗传操纵该反馈投射能够影响V1神经元的放电率和小鼠的视觉行为。我们将利用Go/No-go视觉行为范式训练小鼠分辨目标刺激和非目标刺激，使用光遗传手段操纵OFC向V1的反馈投射，并结合行为小鼠的V1电生理记录，以及光遗传标记手段识别和记录OFC反馈神经元，研究OFC向V1的反馈投射对动物视觉学习行为的调节作用及其机制。本项目有助于从感觉学习行为的角度深入理解皮层反馈投射的功能。

眼眶额叶皮层（OFC）编码的奖励预期信号对动物的学习和灵活行为有至关重要的作用。OFC向感觉皮层有反馈投射，然而该自上而下的投射具有什么功能尚不清楚。我们发现，光遗传激活OFC向初级视皮层（V1）的投射能够通过激活somatostatin（SST）中间神经元来降低V1神经元对视觉刺激的反应。为了研究该投射在视觉行为中的作用，我们训练小鼠进行视觉Go/No-Go任务。在Go刺激出现后，小鼠舔水可得到水作为奖励，而在No-Go刺激出现后没有奖励也没有惩罚。在No-Go试验中，小鼠舔水为错误警报（FA），不舔则为正确拒绝(CR)。在经过行为训练的小鼠中，V1神经元对No-Go刺激的反应随小鼠的判断出现分化，在FA条件下的放电率高于CR条件下，提示V1神经元的活动受到预期信号的调节。光遗传抑制OFC向V1投射的活动，能够降低V1神经元在FA和CR条件下对No-Go刺激反应的差异。通过光遗传标记技术发现，投向V1的OFC神经元通过降低放电率的方式编码奖励预期信号，对No-Go刺激的反应在FA条件下低于CR条件下。进一步的实验表明，在No-Go刺激出现时抑制OFC向V1投射的活动能够减慢小鼠的视觉学习速率。以上实验证据表明，OFC向V1的投射能够调节V1神经元对奖励无关的刺激的反应，通过改变刺激的显著性来易化视觉学习。