听皮层神经环路在听觉频率辨识中的作用机理

Auditory frequency discrimination is the basis of language cognition, music perception and social communication. However, the neural circuit basis of frequency discrimination is yet unclear. Earlier studies that recorded neuronal activity from the primary auditory cortex of anesthetized or quiet awake animals showed that the auditory cortex is tonotopically organized, and single auditory cortical neurons showed remarkable frequency selectivity to tonal stimulation. However, these studies were mostly based on passive auditory stimulation, whereas the perceptual auditory discrimination is an active process, during which the auditory cortex may perform active interpretation of acoustic stimuli based on the integration of the external sensory input and the internal behavioral states. The neuronal circuit mechanism of such information integration is still elusive. The proposed project will use mouse as the animal model, and combine auditory psychophysical paradigms with precise and specific neuronal recording and manipulation techniques such as in vivo two-photon functional imaging and optogenetics to address 1) how information coding by neuronal populations in different layers of auditory cortex and 2) information integration in neuronal dendrites lead to perceptual frequency discrimination. The proposed study will help to elucidate the operation principles of neural circuits underlying auditory perception, and therefore help in gaining a mechanistic understanding of higher cognitive functions such as language cognition and music perception.

清醒状态下对声音频率的辨识，是语言认知、音乐感受、以及社会交流的基础，然而其神经环路基础仍然不清楚。过去的研究揭示了听皮层中单音频率表征在皮层中呈有序的渐进分布，同时单个神经元具也有显著的频率选择性。然而这些研究主要是在被动刺激下（麻醉或静止的清醒状态）开展的。清醒状态下的主动听觉辨识过程中，听皮层神经环路将对外界的感觉输入进行选择，并和内在的行为状态进行整合，这种信息整合的机制及其对频率辨识的意义仍不清楚。本项目将以小鼠为动物模型，拟结合听觉心理物理行为任务、高分辨在体双光子功能成像、光遗传学等手段，解析听皮层不同亚层神经元的群体编码机制和神经元树突信息整合机制在听觉频率辨识中的作用和意义。本项目将结合多种新技术手段探索听知觉辨识的神经元及神经环路机制这一长期未决的基本问题，其成功实施将有助于揭示听知觉的神经环路运作原理，进而推动对语言认知、音乐感受等高级脑功能神经基础的认识。

清醒状态下对声音频率的辨识，是语言认知、音乐感受、以及社会交流的基础，然而其神经环路基础仍然不清楚。过去的研究揭示了听皮层中单音频率表征在皮层中呈有序的渐进分布，同时单个神经元具也有显著的频率选择性。然而这些研究主要是在被动刺激下 (麻醉或静止的清醒状态)开展的。清醒状态下的主动听觉辨识过程中，听皮层神经环路将对外界的感觉输入进行主动选择，并和内在的行为状态进行整合，这种信息整合的机制及其在行为相关的声音认知中的作用和意义仍不清楚。本项目以小鼠为动物模型，结合听觉心理物理行为任务、高分辨在体双光子功能成像、光遗传学等手段，解析听皮层不同亚层神经元的群体编码机制和神经元树突信息整合机制在听觉频率辨识和听觉感知中的作用和意义。本研究首次发现听觉皮层中存在范畴信息的集群表征，并且这种范畴信息的表征在执行任务条件下与被动刺激条件下显著不同，群体神经元有一个动态重新分布的过程，提示任务相关的反馈条件对于感觉信息范畴分类的编码起重要调控作用。本研究还发现后顶叶到听皮层的反馈投射听觉抉择行为中起关键作用。对于听皮层不同亚层神经元，我们发现第5层不同投射亚型对于听觉与抉择行为中的信息有不同的编码特性，相对于皮层内投射神经元，投射到皮层下上丘的神经元对于听觉感知行为是必须的。最后，本项目研究了听皮层中一种重要的神经元亚型SOM神经元在听觉感知中的作用，发现其对兴奋性神经元的编码起关键调控作用。本项目结合多种新技术手段探索听知觉的神经元及神经环路机制这一长期未决的基本问题，取得了国际领先的研究成果，这将有助于揭示听知觉及相关认知功能的神经环路运作原理，进而推动对语言认知、音乐感受等高级脑功能神经基础的认识。