初級視覺皮層功能結構研究獲進展

5 月 14 日，中國科學院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心、神經科學國家重點實驗室蒲慕明研究組在《美國國家科學院院刊》雜誌在線發表了題為《初級視覺皮層中內部連接及反饋連接的功能結構》的研究文章。這項工作建立了一套旨在研究腦區間連接的雙色鈣成像方法，並利用這種方法對樹鼩中投射至初級視覺皮層（V1）的兩條輸入通路的功能結構進行了探討。

大腦皮層是由負責不同功能的很多區域所組成的。即使在單個區域內，神經元的功能也常常根據其在皮層上的位置展現出精密的組織規律。例如，在高等動物的 V1 中，對不同視覺朝向起反應的神經元並非無序地混雜在一起，而是以一種風車狀（pinwheel-like）結構分布在皮層上。既然神經元的反應特性是由它們所接受的上一級輸入所決定的，那麼 V1 風車狀功能結構的產生是由什麼樣的輸入通路導致的？這些輸入通路是否具有風車狀的功能結構？這些疑問是困擾了視覺皮層研究者們多年的難題。

為了解決這個問題，蒲慕明研究組首先建立了一套基於突觸前定位的鈣指示蛋白的雙色鈣成像方法。研究者們將鈣指示蛋白連接到囊泡蛋白上，成功實現了鈣指示蛋白的突觸前定位，並進一步構造了多種具有不同顏色和反應特性的版本。這樣，研究者們就可以將具有不同顏色的鈣指示蛋白表達到不同的輸入通路上，並通過雙色鈣成像同時測量這些不同通路的反應特性，進而比較它們的功能結構。

使用這種策略，研究者們發現在投射至 V1 的輸入通路中，來自 V1 本身的內部連接（intrinsic connection）和來自次級視覺皮層（V2）的反饋連接（feedback connection）都存在著風車狀的功能結構。通過和 V1 神經元本身的功能結構的比較，研究者們發現 V1 內部連接的結構與之有著精準的對齊，而 V2 至 V1 的反饋連接則相對較為散亂。這意味著 V1 的不同輸入通路在其功能結構產生過程中存在著不同的作用。

除了揭示了投射至初級視覺皮層的輸入通路的功能結構之外，這項工作所建立的雙色鈣成像技術有望應用於多種研究體系，成為研究腦區之間連接的功能結構的一種通用手段，為神經科學的研究者們提供一種新的工具。

這項工作由張清芳、李昊作為共同第一作者，在副研究員溫雲卿和研究員蒲慕明的指導下完成。課題受中科院戰略性先導科技專項（B 類）「腦功能聯結圖譜計劃」、中科院前沿科學重點研究計劃、中科院國際夥伴計劃、國家自然科學基金、上海市基礎研究重點項目、科技部「973」項目等資助，在神經所獨立完成。

初級視覺皮層內部連接的朝向圖，其風車狀功能結構和初級視覺皮層本身的功能結構非常相似。比例尺為 100 微米。

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