鸟类认知行为中优势眼形成的脑内机制

The behavioral asymmetries observed in humans and most animals (such as dominant hand, dominant eye) are an environmental adaption in the course of long-term evolution rather than the failure of behavioral function, which promotes our abilities to efficiently process complex events. However, the neural mechanisms with which the asymmetries of choice and behavior are formed are still largely unknown. The bird is the typical animal model for the study of behavioral asymmetries in terms of several behavioral and anatomical advantages. The avian eyes are laterally positioned, the optic nerves completely cross to the contralateral hemisphere, the neural fibers connecting the left and right hemispheres are limited and clustered, and the neural pathways of visual system in birds and mammals are comparable. To reveal the neural mechanism underlying the behavioral asymmetries, we use the awake pigeons as the animal model, and apply several technical methods such as the behavior training, electrophysiological recording, brain imaging and optogenetics. By regulating the neuronal activities in unilateral hemisphere or neuronal interactions between two hemispheres, we would reveal the cellular difference of encoding events and controlling movement in the higher cognitive nuclei between two hemispheres, and how the left-right cellular difference is translated into the behavioral asymmetries.

人类和大多数动物存在行为不对称（如优势手，优势眼），它不是行为功能的缺陷，而是在长期进化过程中形成的一种对环境的适应，有助于人类和动物更高效的处理复杂事件。但是我们对行为不对称是如何形成的，特别是它的脑内机制并不完全清楚。鸟类是研究行为不对称的典型模式动物，因为鸟类双眼侧置，视神经完全交叉，连接左右脑半球的神经纤维束有限和集中，且鸟类和哺乳动物的视觉神经通路存在可比性。本研究以清醒家鸽为模型，围绕优势眼形成的脑内机制，在单细胞水平上，整合动物行为、电生理记录、脑成像技术和光遗传学等多种实验手段，通过调控单侧认知核团的反应或两侧核团之间的交互作用，揭示左右脑半球高级认知核团细胞在编码事件信息和控制运动输出上的差异，以及这种差异如何转化成行为不对称。

人类和大多数动物存在行为不对称（如优势手，优势眼），它不是行为功能的缺陷，而是在长期进化过程中形成的一种对环境的适应，有助于人类和动物更高效的处理复杂事件。前期的研究成果证实脑功能不对称性取决于与特定脑半球相关的因素以及两侧脑区连接的不对称性，但其详细的神经机制并不清楚。鸟类是研究行为不对称的典型模式动物，因为鸟类双眼侧置，视神经完全交叉，连接左右脑半球的神经纤维束有限且集中，因此鸟类和哺乳动物的视觉神经通路存在可比性。本项目以清醒家鸽为模型，围绕优势眼形成的脑内机制，在单细胞水平上，整合多种实验手段，通过调控单侧认知核团的反应或两侧核团之间的交互作用，揭示左右脑半球高级认知核团细胞在编码事件信息和控制运动输出上的差异，以及这种差异如何转化成行为不对称。本项目分两步进行：一是用Go/NoGo-颜色辨别任务对家鸽进行单眼测试，同时记录左右两侧NCL和Arcopallium的单个视觉神经元；二是为了揭示在颜色辨别任务中，两侧大脑半球之间如何通过前端神经纤维束（commissura anterior）进行沟通，一侧脑半球的Arco神经元活动被暂时阻断，以中断两侧大脑半球之间的交流，然后对比动物行为以及NCL和Arco细胞在药物阻断前后的反应。研究结果显示，家鸽右眼/左脑半球无论是学习任务还是做出行为反应都很快；相对于抑制型细胞来说，Go-视觉刺激激发较高比例的兴奋型细胞，而且左脑半球的视觉运动神经元能够更快地触发动物的反应；两侧脑半球通过前端神经纤维束以不对称的方式传输视觉信息，左半球能够为另一侧提供更多关于右眼视觉信息，右半球能够为左半球提供左眼视觉信息但是相对较少；通过两侧脑区之间不对称的连接，左半球能够调整右半球单个神经元的反应时间，从而使右半球来不及控制行为反应。因此，鸟类的行为不对称性是通过前脑运动区域的不对称性激活和改变对侧神经细胞的反应时间而实现的。该研究成果将为机器视觉和人工智能领域的研究提供神经基础。