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杜久林研究組發現控制光偏好行為的神經環路機制

發布時間:2017-02-10

  2017年2月9日,《神經元》期刊在線發表了中科院神經科學研究所、中科院腦科學與智能技術卓越中心、神經科學國家重點實驗室杜久林研究組題為《左側韁核通過一條非對稱性視覺通路介導斑馬魚光偏好行為》的研究論文,并配以"Video Abstract"形式進行重點推薦。光偏好行為是動物界中普遍存在的一種本能行為,對于動物生存至關重要。該研究發現,通過視網膜神經節細胞和隆凸丘腦組成的非對稱性視覺通路,左邊背側韁核介導了斑馬魚的光偏好行為。該工作揭示了韁核介導光偏好行為的新功能,并首次在脊椎動物中發現了光偏好行為的神經環路機制。

  韁核是脊椎動物中高度保守的核團。哺乳動物研究表明,韁核是情緒控制的中心。通過主要接受來自邊緣系統和基底神經節的輸入,韁核控制焦慮、恐懼、獎賞、抑郁等相關行為。同時,大量工作表明,韁核還接受各種感覺信息的輸入,但目前人們對于韁核這些感覺輸入的具體神經環路及其相應功能仍不清楚。

  為了探索韁核視覺輸入的神經功能,研究人員首先檢測了韁核在光偏好行為中的作用。正常的斑馬魚幼魚具有明顯的光偏好行為,損傷或功能沉默左邊背側韁核,而非右邊韁核,則嚴重削弱這種行為。相反,通過光遺傳學手段激活左邊背側韁核,則可以在雙眼移除沒有光偏好的幼魚中重新誘導出偏好性。表明韁核對于光偏好行為是充分必要的。其次,通過對韁核神經元進行在體鈣成像和電生理記錄,發現具有視覺反應的神經元更多的分布在左邊背側韁核,同時這些神經元的持續性視覺反應和神經活動強度可以分別編碼環境背景光給予的時長和強弱。通過這樣兩種編碼策略,韁核可以實時感受到背景光的時長和強弱從而介導光偏好行為。進一步地,為了了解視覺信息是如何傳遞到韁核,研究人員結合形態追蹤和功能實驗等手段,發現左邊背側韁核接受來自隆凸丘腦的興奮性單突觸連接,而隆凸丘腦又接受來自視網膜神經節細胞通過其第四投射腦區的輸入。損傷或功能沉默隆凸丘腦可以減弱光偏好行為,說明視網膜神經節細胞-隆凸丘腦-左邊背側韁核通路介紹了光偏好行為。最后,他們詳細檢測了這條神經通路的投射特征,發現:涉及的大部分視網膜神經節細胞是ON-型細胞;隆凸丘腦神經元接受來自對側視網膜神經節細胞的投射,并表現出持續性且左右對稱的視覺反應;而兩側隆凸丘腦皆更多的投射到左邊背側韁核,使得左邊背側韁核神經元具有更強的視覺反應,從而導致了該神經通路的左右不對稱性。該工作將韁核的功能擴展到光偏好行為,并提示韁核有可能作為一個感覺信息和情緒信息在大腦中相互交流的中介核團。

  這項工作是在杜久林研究員指導下,主要由博士研究生張白冰和姚園園合作完成,并得到博士后張賀飛和日本國立遺傳所川上浩一教授的技術支持。

   

  圖注:(左邊)靈感來源于中國古詩中“荷塘月色”意境的一幅畫:在月夜的荷塘中,小魚圍著明亮的月影嬉戲。(右邊)光偏好行為的神經環路機制模式圖。第四分枝區域投射的視網膜神經節細胞-隆凸丘腦-左邊背側韁核通路的模型:一群具有持續性視覺反應的視網膜神經節細胞投射到對側的隆凸丘腦,將環境背景光信息傳遞到隆凸丘腦;雙側隆凸丘腦皆偏向性地投射到左邊背側韁核,從而將環境背景光信息傳遞到左邊背側韁核,介導光偏好行為的產生。

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