采用双光子成像技术在整体动物视皮层实时研究视觉适应的形态学机制

高度的功能可塑性是大脑的基本特性之一，与之相对应的是大脑细胞在形态学上的动态变化。但是受限于实验手段，长期以来难以实时研究大脑的形态可塑性。近年来，随着双光子激光成像技术等显微结构成像手段的应用，神经元树突小棘这一与突触相关的微小结构被证实具有高度动态特性，它的快速重组与大脑的功能可塑性紧密相关。与此同时，大脑皮层数量超过神经元的胶质细胞正在被重新认识，它们不再是功能上"沉默"的细胞，它们对于外界刺激具有强烈的钙流反应；尤其重要的是它们所伸出的突起包绕着突触，与树突小棘一样，是潜在的反映、固化大脑功能可塑性的显微结构。本申请书采用视觉图形适应这一经典的功能可塑性范式，在整体动物视觉皮层实时地研究神经胶质细胞及其相邻神经元在形态学上的动态特性，着重探讨胶质细胞突起与树突小棘这两类显微结构的变化方式及其关联性，从而将对大脑可塑性的认识拓展到超越神经元网络的、更广阔的范畴

神经系统可以根据外界刺激改变其功能与结构，具有鲜明的可塑性。图形适应是其中一种重要的模式。在以往的工作中，在视觉系统的各个层次，从视网膜、外膝体、初级视觉皮层到高级视觉皮层，广泛地证实了图形适应的存在。近期的工作更将视角放在了不同层次间的作用机制上。采用电生理记录发现，在小鼠的外膝体到初级视觉皮层间，空间位置的适应现象呈现出级联放大的趋势，提示着一种广泛的自下而上的放大机制，但是这一假设在其它工作中没有得到证实。总结来看，关于图形适应的工作采用不同的刺激范式，不同的记录方法，研究不同特征的适应现象，结果有很大差异，难以从系统角度勾勒出图形适应的上下游机制。我们的主要发现有两点，第一，在视觉的腹侧通路上，从17区到21a区，无论采用什么适应范式（top-up还是biased），无论采用何种记录手段（单细胞、光学成像、场点位），方位适应现象都有显著的增强，证实了适应的级联放大机制。第二，这一方位适应的增强效应，是刺激特征特异性的，也就是在腹侧通路上，特异性放大方位适应效应，但不放大方向适应效应；而在背侧通路，则放大方向适应效应。这一特异性与视觉信息处理的走向紧密相关。因此，我们的工作不仅仅发现了腹侧通路的适应级联放大效应，并进而澄清了以往关于适应级联放大的看似相互矛盾的实验结果，具有一定的理论意义。在更高级的层次上，情绪反应能够显著地调节视觉感知，但是一直缺少相应的神经生理学证据。目前已知，视觉信息可以整合在杏仁核（Amygdala）,提供如惊吓反应等情绪知觉。杏仁核是否对初级视觉皮层有直接的反馈投射，它的作用形式如何，一直是一个悬而未决的科学问题。我们在初级视觉皮层注射逆行性标记的荧光染料，发现杏仁核基底核有大约30%的神经元对初级视觉皮层直接投射，提示着非常广泛的功能联系。基于此，我们在杏仁核基底注射神经递质以兴奋或阻断该核团，与此同时在初级视觉皮层记录视觉诱发的方位功能图。当兴奋杏仁核基底核时，17区的方位功能图明显增强；但采用GABA抑制杏仁核基底核时，效应则完全相反。说明由于杏仁核基地核的反馈投射，同样的视觉刺激可以诱发幅度不同的功能反应，杏仁核基底核的激活可以强化初级视觉皮层的功能反应，这一点与心理学实验结果相吻合。这些工作在广泛的视觉系统进行了视觉图形的处理机制研究，并进一步深化了对适应现象神经机制的理解。