初级感觉皮层在高级认知功能中神经生理机制的研究

Working memory has been defined as the system which actively stores, manipulates and maintains information for a short time in mind for later actions. Working memory deficits will dramatically affect our intelligence、thinking 、memory and even our daily activities. Therefore, it is crucial to understand the neural mechanism underlying working memory. A large number of literature has shown that the higher-level cortical regions, including prefrontal, parietal and temporal association areas, are involved in this neural process. Recent years, researchers have realized that the primary sensory cortex, such as primary visual, somatosensory and auditory cortices, to certain extent, also participates in working memory. However, how these sensory areas function in this process is barely understood. In this proposed study, we will train monkeys to learn a haptic-haptic working memory task, and record single units and local field potentials with the linear multielectrode (U-Probe) in the primary somatosensory cortex. This linear multi-electrode can help us reconstruct the local neural circuitry, by collecting information from supragranular, granular and infragranular cortical layers. The goal of the research is to investigate the neural function of primary sensory cortex in working memory, and to further understand the neural mechanisms of high cognitive activities.

工作记忆是指感觉信息被短时的储存，操作和维持在大脑神经系统中，而使用于之后的相关行动。工作记忆的受干扰和缺失，将会极大的影响到人们智力、思维和记忆，甚至日常生活。因此理解工作记忆的机理具有重要的意义。大量科学工作已经发现了高级皮层，包括前额叶、后顶叶以及颞叶等高级联合皮层区域与工作记忆的维持相关。近几年来，人们发现初级感觉皮层，例如初级视觉、触觉和听觉皮层，都以不同的程度参与了工作记忆的神经认知过程。然而，具体来说这些初级感觉皮层是如何参与，以及如何在工作记忆等高级认知活动中发挥作用，我们还知之甚少。本项目中，我们将训练灵长类动物猕猴学习触觉工作记忆任务，利用最新的直线多点电极，在初级触觉皮层分别记录颗粒上层,颗粒层和颗粒下层的电生理信号(单细胞放电和局部场电位)，重点研究初级触觉皮层在触觉工作记忆(和决策作出)中的神经机理，将进一步深化我们对工作记忆相关的高级认知活动的认识。

工作记忆是指感觉信息被短时的储存，操作和维持在大脑神经系统中，而使用于之后的相关行动。工作记忆的受干扰和缺失，将会极大的影响到人们智力、思维和记忆，甚至日常生活。因此理解工作记忆的机理具有重要的意义。大量科学工作已经发现了高级皮层，包括前额叶、后顶叶以及颞叶等高级联合皮层区域与工作记忆的维持相关。近几年来，人们发现初级感觉皮层，例如初级视觉、触觉和听觉皮层，都以不同的程度参与了工作记忆的神经认知过程。然而，具体来说这些不同皮层是如何参与，以及如何在工作记忆等高级认知活动中发挥作用，我们还知之甚少。.在本基金的资助下，我们搭建起了一套自主研发的触觉自动化工作记忆任务训练系统，经过实际测试，可以有效完成我们的行为学和电生理记录需求，开展对灵长类动物的触觉高级认知功能的研究。同时该系统还留有较大的扩展空间，可以进一步升级改造，以适应更深层次的科研需求。通过该实验平台，我们训练2只猕猴学习视觉-触觉交叉模式工作记忆任务和触觉-触觉单一模式工作记忆任务，通过在猕猴前额叶皮层、初级触觉皮层和触觉运动皮层记录大量神经元的电生理活动，研究在工作记忆延时和决策的脑神经机制。该项目的研究结果主要分为两个部分：1）在猕猴前额叶皮层，我们发现三群不同类型神经元分别表征工作记忆初期、晚期和全程记忆信息，可能分别代表了视觉信息、视触觉信息转化和触觉信息维持的不同认知过程。同时延时晚期细胞与决策行为高度相关。2）在猕猴初级运动皮层，初步的结果发现一类神经元仅仅与触觉决策相关。重要的是这类神经元在刺激阶段并不展现处触觉信息的选择性。经过整理撰写和严谨的同行评议，实验结果发表在国际学术杂志《Proceedings of the National Academy of Sciences》和《Journal of Physiology - Paris》上，得到了国际上本领域专家的认可。另与初级感觉和运动皮层相关结果论文还在撰写和准备投稿中。.本研究重点在灵长类动物前额叶和初级感觉、运动皮层上研究感知和记忆两个不同的认知过程的神经网络回路，为理解工作记忆全脑化网络结构提供重要的理论依据。同时，感知和工作记忆机理的理解对于高级神经认知功能疾病的诊断和治疗具有不可或缺的意义。