非人灵长类情感与工作记忆的神经环路机制研究

Emotion has extensive interaction with other cognitive functions, such as perception, attention, memory and decision-making. Abnormal activity of emotion-related brain regions might induce mental disorders, such as depression, autism, and post-traumatic stress disorder(PTSD). Therefore, it is essential to study the neural circuits underlying emotion and its interaction with memory. However, due to the lack of valid animal model, the neural mechanisms of emotion neuromodulation on working memory is unclear. Hence, this proposed project is planning to build an emotional working memory model of behaving monkeys to uncover the neural microcircuit mechanisms of emotion neuromodulation on working memory by combining single-unit recording, linear microelectrode array recording, microstimulation and iontophoresis techniques. Meanwhile, this project will study the neural microcircuit mechanisms of working memory, which will help to profoundly understand the interaction between emotion and working memory. The findings will contribute new methods and techniques to the research field of emotion and memory, and will provide new clues for the research of emotion and memory disorders.

情感与感知、注意、记忆、决策等脑功能存在广泛的相互作用。情感相关脑区的活动异常则会导致抑郁症、自闭症、创伤后应激障碍等多种精神类疾病的发生，因此，研究情感及其与记忆等认知功能相互作用的神经环路机制意义重大。然而，由于缺少可靠的动物模型，情感感受以及情感对工作记忆调节的环路机制还很不清楚。因此，本项目计划建立清醒猴情感工作记忆模型，结合单细胞记录、线性微电极阵列记录、电刺激和离子微电泳给药等技术，重点揭示情感对工作记忆调节的微环路机制。同时，本项目计划研究工作记忆的微环路机制，这也有助于深入理解情感与工作记忆的相互作用机制。最终，为情感的神经环路机制研究贡献新方法和新技术，为情感和记忆障碍疾病的研究提供新线索。

为补偿对外界刺激信息处理的延迟，提高对环境的适应能力，动物，尤其是灵长类动物，演化形成了高效的预测（prediction）功能。尽管人们对预期在日常生活中的重要作用没有争议，然而对其背后的神经机制所知甚少。本课题的研究首先提供了一个新的在清醒猕猴研究时间预测的行为范式。我们发现猕猴在记忆指导的快速眼动（MGS）任务中，快速眼动反应时（SRT）呈双峰分布，并证明其前一个组分代表由时间预测激发的内源性预测快速眼动（predictive saccade），而后一个组分代表由视觉刺激激发的反应性快速眼动（reactive saccade）。在此行为范式基础上，我们在一只猕猴的前额叶进行了胞外单细胞记录，并取得了一些结果。.我们发现该猕猴的运动前区（dorsal premotor cortex, PMD）、辅助运动区（supplementary motor area, SMA）、辅助眼动区（supplementary eye field, SEF）等脑区大部分神经元选择性编码任务的不同事件。此外，我们在SEF脑区中发现，在MGS任务的延迟阶段，部分增进性发放神经元（build-up neurons）的发放频率在时间预测性快速眼动的试次（predictive saccade trials）中比在视觉刺激反应性快速眼动的试次（reactive saccade trials）中呈现逐渐上升的趋势且存在时间上的分离，这可能预示SEF中部分神经元属于时间预测神经环路的一部分，并且它们在时间预测和视觉反应性试次中达到向下一级环路传递与快速眼动相关信息的阈限时间不同，但这尚需进一步研究证明。.最后我们还发现，在MGS任务中视觉提示点（cue）出现之前的盯点阶段（fixation period），猕猴双峰分布对应的试次中的微眼跳（microsaccade）频率呈现显著差异，这预示猕猴可能在试次的开始阶段即选择了行为报告的策略或在当前试次开始阶段已经开始对注视点（fixation point, FP）的消失时间进行预测。总之，本研究通过建立新的实验范式探讨研究猕猴时间预测性行为及神经机制，发现SRT中前一个峰是由时间预测引发，且微眼动频率差异可以预测猕猴未来行为策略。