皮质-基底神经节环路调控发声学习和可塑性的生理机制研究

The anterior forebrain pathway (AFP) in songbirds, highly parallel to the cortical-basal ganglia circuit in mammals, is involved in song learning and adult vocal plasticity. Clarifying the mechanisms of songbird AFP will facilitate the understanding of how complex motor skills, including human speech, are learned. In the present project, we will investigate the local circuit of area X, the avian basal ganglia: 1) To examine the dynamic changes of important neurotransmitters, such as dopamine, during song learning and degradation; 2) To examine the interactions of dopamine, substance P and other transmitters; 3) To explore the molecular network of FOXP2 for song learning and find the key gene in it, and further evaluate the role of the key gene in song learning by RNAi technique. On the other hand, we will investigate the synaptic plasticity of medium spiny neurons in area X, and examine the role of AFP in the modulation of the synaptic plasticity in the song motor pathway. The present project is important for clarifying the neural mechanisms underlying vocal learning and plasticity and understanding human speech at the cellular and molecular level.

鸣禽AFP环路与哺乳类皮质-基底神经节环路同源，参与鸣唱行为的学习和可塑性。对于该环路作用的研究将有助于揭示包括人类语言在内的复杂运动学习的神经机制。本项目拟一方面在前期结果基础上，开展对基底神经节X区局部环路的调控机制研究:1)动态检测多巴胺等多种递质在鸣唱学习和退化中的作用；2)检测多巴胺、P物质等重要递质之间的相互作用方式；3)通过mRNA表达谱分析，构建鸣唱学习中与人类语言相关基因FOXP2共表达的分子调控网络，并筛选关键分子，利用基因沉默技术评价其对鸣唱行为的影响。另一方面，拟开展突触可塑性研究：利用神经示踪与树突棘染色或免疫电镜技术相结合，研究鸣唱学习及退化过程中 1)X区中等多棘神经元的突触可塑性；2)AFP环路对鸣唱运动通路突触可塑性的调控。本研究对于深入揭示皮质-基底节神经环路在发声学习和可塑性中的作用机制以及在细胞和分子水平揭示人类语言现象具有重要意义。

鸣禽AFP通路，与哺乳类皮质-基底神经核环路同源，特异参与鸣唱行为的学习和维持。对于该环路作用机制的认识有助于理解包括人类语言在内的复杂运动技能的学习。项目按计划执行，在以下两方面获得重要发现。1）基底神经核X区局部环路：i）X区多棘神经元在形态学上可分为两类，树突分支复杂性及树突总长度具有显著差异，很可能类似哺乳动物纹状体的两类中型多棘神经元，分别参与直接和间接通路，执行不同功能；ii）听觉剥夺诱导X区树突棘及轴-棘突触出现快速结构变化，并提前于鸣唱行为的退化，提示X区可塑性很可能是发声行为可塑性的先决条件；iii）伴随听觉剥夺诱导的突触结构变化，X区多巴胺水平显著降低，提示多巴胺系统在X区可塑性及鸣唱行为可塑性中发挥重要作用。2）X区与AFP通路的关系：i）X区损毁可抑制听觉剥夺诱导的运动皮质RA的树突棘变化；ii）LMAN损毁也可抑制RA的变化，但不影响听觉剥夺诱导的X区可塑性。上述结果提示，X区位于AFP通路上游，听觉反馈信号很可能首先传入X区，再经LMAN传递至RA，从而影响发声行为。并且，该信号很可能由X区的多巴胺能神经输入携带。