近灵长类动物树鼩视皮层突触信息处理规律探索

The basic function of brain is to process and transmit sensory stimuli from the environment, which allows humans and animals to make sense of the world. It is well known that more than 80% information is obtained through vision. Visual cortex in mammalian brain is required for achieving this function. Therefore, it is central to understand how visual information is processed in the cortex. Recently, considerable progress in studying the cortical circuit mechanisms of sensory information processing and encoding has been made by using newly-established techniques. For example, using two-photon imaging, Chen et al identified the synaptic rules for the organization of sensory inputs in mouse auditory cortex, on the level of dendritic spines (Nature 475, 501-505, 2011). In our proposal, using high-speed two-photon calcium imaging and in vivo patch-clamp recordings, we will investigate the underlying mechanisms of the processing of visual information in tree shrew at single synapse level. Two parts will be performed as following: 1) exploring the responsive specificity of single spine during physiological condition and visual stimuli; 2) dynamically observing the structure and function of dendritic spines in visual cortical neurons.

大脑的基本功能是处理并传输来自外周的感觉刺激，从而感知世界。研究表明大脑80%以上的信息经视觉获得，因此探索信息在视觉神经系统的处理规律至关重要。最近，新技术的开发，使得对感觉信息传入和编码的模式研究取得了很大的进展。例如，Chen等利用双光子显微镜，在小鼠听觉皮层神经元从树突棘水平研究了感觉信息的接收和处理规律（Nature 475, 501-505, 2011）。在本项目中，我们将以近灵长类动物树鼩为动物模型，采用高速双光子钙成像和在体膜片钳技术，从单突触水平在活体大脑深入探索视觉信息的处理机制。具体分两部分完成：1）在生理条件和视觉刺激的条件下，观察视皮层单个树突棘的反应特性，了解视觉信息的处理规律； 2）对视皮层神经元树突棘的结构和功能进行动态观察，探索与视觉学习相关的突触可塑性变化。

近十几年双光子显微活体成像技术的建立和发展，使神经功能方面的研究从传统的细胞培养和离体水平过度到活体动物大脑神经网络水平。在活体动物，尤其是灵长类或近灵长类动物从单个突触水平研究大脑视觉皮层对视觉信息的整合和编码规律意义重大。视功能的成熟是基于基因和经验的共同调节，通过选择性的突触连接建立起来的。在过去的十多年，科学家已经开始从树突棘的水平来研究视皮层的连接模式，但主要是树突棘形态更新的观察，而在视皮层发育和视觉产生的过程中，缺乏对于树突棘的功能变化的观察，并很少涉及结构可塑性与突触的功能变化相关性分析。.本项目从树鼩和小鼠的初级视皮层入手，采用树突棘钙荧光信号功能成像技术，结合在体膜片钳全细胞记录技术，在生理条件和视觉刺激的条件下，探索了初级视皮层树突棘的反应活性和空间分布特性。在此基础上，对初级视皮层神经元树突棘的结构和功能进行动态观察，探索了与视觉学习相关的突触可塑性变化。研究表明，重复连续刺激能够显著增强树鼩和小鼠初级视觉皮层神经元的反应稳定性。这一现象发生的时间尺度从数十秒到数分钟，而反应成功率增加幅度可达30-70%。更进一步，重复连续的单方向移动光栅改变神经元的反应稳定性，并且改变所在焦平面内神经元群体的方向选择性。通过树突棘的功能和结构成像发现，胞体反应稳定性增强，可能与活跃树突棘的比例增多，或者树突棘接收传入信号的能力增强有关，也可能与树突棘结构的可塑性改变有关。通过全细胞膜片钳记录神经元兴奋性和抑制性传入，研究发现胞体反应稳定性增强，可能与兴奋性传入增强和抑制性传入减弱有关联。.综上所述，我们发现重复连续的视觉刺激，能使初级视觉皮层神经元反应稳定性增强。通过树突棘功能和结构成像，以及全细胞膜片钳记录，我们推测，神经元胞体反应稳定性的可塑性变化，可能与神经元的传入网络（突触前）的快速改变或者神经元的树突棘结构（突触后）的快速改变有关。