视觉经验与上丘运动感知功能发育

Amblyopia is a visual developmental eye disease, which is generally considered that its impairment of visual function is caused by the reduction of form perceptual function of visual cortical neurons due to abnormal visual experience. However, the form perception is always accompanied with motion sensing. Up to date, it is not well known about the development of motion-sensing function of the visual system and the effect of visual experience on it. Our previous study indicated that the behavior of fixational eye movement in the amblyopic eye is abnormal which is originated from functional impairment in the superior colliculus. Recently, we further found that there are a lot of cells selective to moving direction in the mouse superior colliculus and clearly disclosed for the first time the origin of the direction selectivity in these cells, which has been published in Nature Neuroscience. Based on these work, this project aims to observe the effect of abnormal visual experience such as monocular deprivation and dark rearing on the development of functional properties and neural connections of direction selective cells in the superior colliculus with the techniques of in vivo whole-cell recording, extracellular recording, optogenetics, electron microscope, neuropharmacology and immunohistology to explore the effect and its mechanism of visual experience on the development of motion-sensing function in the superior colliculus. This study is important to comprehensive understanding the influence of visual experience on the development of visual system, to opening a new research field for the mechanisms of amblyopia and to exploring potential novel treatment strategies.

弱视为视觉发育相关性眼病，一般认为其视觉功能的损害源于异常视觉经验导致的视皮层细胞形觉感知功能的降低。然而形觉感知与运动感知始终是密不可分的。至今，人们对视觉系统运动感知功能的发育及视觉经验的影响尚缺乏足够深入的了解。我们前期研究表明弱视眼存在源于上丘功能损害的注视性眼球运动行为的异常，近期研究发现小鼠上丘存在大量对运动方向敏感的细胞并首次明确揭示了其方向选择性形成的神经联系基础，发表于神经科学顶级期刊Nature Neuroscience。本研究拟在此基础上采用在体膜片钳、细胞外记录、光遗传、电镜、神经药理、免疫组织化学等技术观察单眼或双眼形觉剥夺、暗饲养等异常视觉经验条件对上丘方向选择性神经元的功能与神经联系发育的影响，探讨视觉经验在上丘运动感知功能发育中的作用和机制。本研究将对更全面地认识视觉经验对视觉系统发育的影响，开拓弱视机制研究的新领域及探讨新的治疗策略具有重要意义。

弱视为视觉发育相关性眼病，一般认为其视觉功能的损害源于异常视觉经验导致的视皮层细胞形觉感知功能的降低。然而形觉感知与运动感知始终是密不可分的。至今，人们对视觉系统运动感知功能的发育及视觉经验的影响尚缺乏深入的了解。我们前期研究表明弱视眼存在源于上丘功能损害的注视性眼球运动行为的异常，近期研究发现小鼠上丘存在大量对运动方向敏感的细胞并首次揭示了其方向选择性形成的神经联系基础。本研究在此基础上采用在体膜片钳、细胞外记录、光遗传等多种技术手段观察了单眼或双眼形觉剥夺、暗饲养等异常视觉经验条件对上丘方向选择性神经元的功能与神经联系发育的影响，探讨了视觉经验在上丘运动感知功能发育中的作用和机制。本研究发现小鼠睁眼后不久，上丘浅层神经元已具有较明显的方向选择性，随着生长发育，方向选择性指数逐渐增强，其它神经元功能特性也表现出发育性变化。于视觉发育关键期前开始行单眼形觉剥夺，上丘浅层神经元方向选择性发育性增强的程度低于同天龄正常组，其它神经元功能特性指标的发育亦受到阻滞，表明上丘运动感知功能的发育于睁眼后早期即已开始。神经元细胞膜电位Vm和兴奋性突触输入EPSCs反应记录的结果也和在体细胞外记录测得的数据相吻合。在双眼形觉剥夺模型和暗饲养实验中，我们也得到类似的结果。同时我们还揭示了上丘神经元反应从Vm到Spike的特征选择性转换的基本规律，对其信息加工机制有了进一步了解。此外，我们还对上述功能变化过程中树突野面积、神经发育相关分子的表达变化等也进行了研究。这些工作的开展使我们首次能够较为全面地了解视觉经验对视觉系统运动感知的早期阶段的发育产生的影响及其作用机制，这对于从运动感知的角度全面了解弱视的发生机制必将起到重要推动作用。