丘脑MGm核团在注意和记忆中的作用及其机制

Cerebral cortex forms the basis of many advanced cognitive brain functions. However, some studies also suggested that the thalamus might participate most of these functions. Previous research in learning and memory mainly focused on cerebral cortex and hippocumpus with an emphaisis on the formation and maintainence of the memeory, while few studies shed light on attention, which is one of the most important factors during learning and memory process. Our project will investigate the roles that the thalamus and closely connected cortice play in the selective attention during the memory coding and retriving stages. That is to say, the cortical and subcortical mechanism of the attention and memory. We take advantages of the widely reciprocal projections between the neocortex and the medial division of the medial geniculate body(MGm), and employ electrophysiologyical, behavioral and immunohistological approaches combined with optogenetics. The involvement of MGm in both bottom-up(MGM ->neocortex) and top-down(neocortex->MGm) attention will be studied. We will also explore the complementary mechanism between the cortical and subcortical circuits underlying attention and memory, by comparing the activities of the MGm and cortical neurons during different stages of memory consolidation. Based on these results, we want to further investigate the underlying neurotransmitter-receptor network in the future, to provide evidence and guidance for possilbe clinical application.

在系统水平的学习与记忆研究中，记忆的保持一直是重点，但是针对在记忆形成与提取过程中起决定作用的注意及其机制的研究由于缺乏合适的研究模式而往往被忽视。丘脑内侧膝状体内侧核团(MGm)与皮层之间存在广泛的相互投射，且其投射止于皮层表层，表层对整个皮层状态的维持起重要作用。我们进一步研究表明MGm细胞反应潜伏期很短，具有快速适应性（对简单重复的刺激很快不反应）和多模态性（视-听-体感）等特性。由此我们提出，MGm参与了整个皮层觉醒状态的维持，是学习与记忆过程中执行选择性注意的重要结构。本课题计划以MGm为中心，利用其独特的组织结构，采用电生理、行为学和免疫组化，结合光遗传学失活术，重点研究学习和记忆提取过程中，皮层和丘脑在对目标刺激选择性注意中的作用及神经机制，包括上行（MGm到皮层）和下行机制（皮层到MGm）。为注意与记忆研究打开新的视角和途径，并为相关神经系统障碍的临床介入治疗提供依据。

越来越多的证据表明，皮层下结构特别是丘脑在学习与记忆过程中，并不是简单的信息中继站(content)；而且为记忆等高级认知活动提供了一个必要的情境（context）。听觉丘脑内侧膝状体内侧核团(MGm)与皮层之间存在广泛的相互投射，且其投射止于皮层表层，表层对整个皮层状态的维持起重要作用。基于这一认识，本项目围绕MGm核团，利用在体电生理和行为学等方法，一方面进一步明确了MGm细胞的基本电生理特性，包括简单重复刺激快速适应性（SSA）、多模态性（视-听-体感）等，提出了利用MGm细胞听反应SSA特性作为快速鉴定MGm细胞的标准；另一方面，以MGm细胞的SSA特性为突破口，考察了MGm细胞参与学习与记忆的作用机制，发现经过训练后，MGm细胞对目标刺激的SSA消失，而对非目标刺激仍表现出SSA，提示MGm核团的SSA特性对于动物选择性注意目标刺激而忽略非目标刺激中扮演重要角色。另外，在学习与记忆机制研究中，我们与香港城市大学合作发现可以在大脑皮层直接植入人工记忆（即在一定的时间窗通过直接局部微电刺激不同皮层区域从而形成联合性记忆），而不需要听觉初级丘脑的上行投射通路参与。这一方面验证了听觉初级丘脑主要编码记忆的内容，另一方面为进一步验证听觉刺激丘脑MGm的生理功能提供了一个理想的模型。