联合型恐惧学习的皮层机制

Fear is the emotion that often occurs and is best understood in terms of neuronal mechanims. Until recently, considerable progress in understanding the brain circuits and cellular mechanisms of fear has been made based on the studies of fear conditioning using newly-established techniques. For example, using two-photon imaging, in vivo electrophysiology, and optogenetics, the Andreas Lüthi group partly defined the circuit elements underlying auditory fear conditioning and also identified the importance of auditory cortex for this associative fear learning (Nature,2011,480:331-5). In this proposal, using high-speed two-photon calcium imaging and patch-clamp recordings in vivo, we will systematically investigate the cortical circuits and cellular determinants of associative fear learning at multiple levels from single spines to cortical network. Three parts will be performed in living animals: 1) circuit mechanisms: investigating the respective functions of cells for associative fear learning; 2) mapping sensory inputs with single spine resolution during conditioned and unconditioned stimuli; 3) exploring the possible synaptic plasticity for associative fear learning at single spine level.

恐惧是最为常见的情感反应。近年来，利用多项新技术新方法，通过对恐惧条件反射动物模型为研究对象，针对恐惧情绪所涉及的神经环路和细胞机制的研究取得了较大的进展。例如，最近Andreas Lüthi课题组（Nature,2011,480:331-5）利用双光子成像、在体电生理、以及光遗传学技术等，部分地探索了听觉恐惧条件反射的皮层环路机制，并明确了听觉皮层在恐惧条件反射中的重要作用。在本项目中，我们将采用高速双光子成像以及在体膜片钳技术，从单个树突棘-细胞-网络多个水平，在活体动物大脑深入探索该联合型恐惧学习的皮层环路和细胞机制。具体分为3个部分完成：1）皮层环路机制——系统了解皮层各类型细胞在条件刺激和非条件刺激下的反应特性；2）采用在体单树突棘钙成像技术，绘制皮层神经元的信息传入图；3）在主要神经元树突棘水平，寻找和探索条件刺激和非条件刺激下可能出现的树突棘可塑性变化。

恐惧是最为常见的情感反应。近年来，利用多项新技术新方法，通过对恐惧条件反射动物模型为研究对象，针对恐惧情绪所涉及的神经环路和细胞机制的研究取得了较大的进展。例如，最近Andreas Lüthi课题组（Nature,2011,480:331-5）利用双光子成像、在体电生理、以及光遗传学技术等，部分地探索了听觉恐惧条件反射的皮层环路机制，并明确了听觉皮层在恐惧条件反射中的重要作用。在本项目中，我们将采用高速双光子成像以及在体膜片钳技术，从单个树突棘-细胞-网络多个水平，在活体动物大脑深入探索该联合型恐惧学习的皮层环路和细胞机制。拟从3个部分完成：1）皮层环路机制——系统了解皮层各类型细胞在条件刺激和非条件刺激下的反应特性；2）采用在体单树突棘钙成像技术，绘制皮层神经元的信息传入图；3）在主要神经元树突棘水平，寻找和探索条件刺激和非条件刺激下可能出现的树突棘可塑性变化。..课题经过3年时间基本按计划如期完成。其间，通过运用高速双光子成像以及在体膜片钳技术，首次发现了星形胶质在恐惧学习记忆中具有乙酰胆碱受体通路介导的记忆痕迹，对学习记忆这一高级脑功能的认知作出了重要的推动。其次，超越单个突触，研究在细胞胞体和树突棘层面发现了学习记忆对应的复杂动作电位(Complex Spike, CS)以及相应的树突棘非线性机制，为真实条件下复杂神经网络中研究接收成百上千甚至于更大数量级大量突触的单个细胞在学习记忆中的机理作出了开创性的突破。目前，这两项工作分别处于在投返修的阶段。