视觉选择性注意相关皮层区域不同种类神经元的3D解剖学连接图谱及功能学连接图谱

Visual selective attention allows us selectively process important visual information related to the current behavior and ignore irrelevant information. Decades of studies in primates have identified brain regions related with visual selective attention (such as the Frontal Eye Field as one of the sources of attention). However, the difficulty of using techniques that specifically manipulate the neuronal activity in primates limits the study of the neuronal mechanisms of visual selective attention. Our previous work identified the mouse cingulate cortex as the anatomical and functional homolog of the primate frontal eye field. We further delineated the function of different types of V1 neurons in top-down modulation induced by optogenetic activation of Cg. Given the powerful genetic and viral tools available in the mouse model, identifying the top-down modulation circuits in mouse will bring enormous opportunities for understanding the functional organization of the major components in the circuit. Using pseudotyped rabies virus-mediated whole-brain tracing, we have identified the brain regions in visual attention network. However, different types of neurons in each region may receive different inputs and serve different functions in attention. We plan to build the 3D whole-brain anatomic maps for the direct inputs of different types of neurons in the major cortical areas involved in attention. Furthermore, we will study the electrophysiological properties of the direct long-range corticocortical, thalamocortical and neuromodulatory inputs onto different types of cortical neurons, which will lay the foundation for the future study of their functional connectome in behaving animal.

视觉选择性注意使得我们能选择性地处理与当前行为相关的重要视觉信息并忽略无关信息。灵长类动物中的研究发现了参与视觉选择性注意的相关脑区（如作为注意的信号来源之一的前额叶眼动区），但由于不易使用特异操纵神经环路活动的技术手段而限制了对神经环路机制的深入研究。申请人之前的工作确定了小鼠扣带回皮层为灵长类前额叶眼动区的解剖学及功能学同源结构，并以此为出发点使用病毒示踪技术找出了小鼠中可能与视觉选择性注意相关的其他脑区，从而奠定了以小鼠为模式动物研究视觉选择性注意环路机制的基础。与视觉选择性注意相关的皮层区域包含多种不同种类的神经元，申请人拟使用病毒示踪技术制作这些神经元的直接输入的3D解剖学连接图谱，并在此基础上研究它们接受的皮层-皮层、丘脑-皮层及神经调质输入的功能学特性。该项目的成功实施将深化我们对视觉选择性注意环路的解剖学及功能学认识，为研究不同环路组分在选择性注意行为中的功能奠定基础。

感觉信息在皮层中的处理受到当前行为背景的调控，这样的调控常常是由远距离输入激活皮层中的抑制性中间神经元来介导的，但是对于不同的远距离输入对皮层中种类各异的抑制性中间神经元的选择性还未有系统性的研究。皮层中的三种主要的不同种类抑制性中间神经元（PV+、VIP+和SST+神经元）形成保守的局部微环路，共同对兴奋性神经元的输出进行快速的动态调节。利用假性狂犬病病毒介导的逆向跨单突触追踪，我们系统性的分析了位于视觉信息处理不同等级的六个皮层区域（视觉皮层、后顶叶皮层、压后皮层、扣带回皮层、眶额叶皮层和边缘额叶皮层）的三种主要的不同种类抑制性中间神经元的全脑输入，完善了视觉相关信息处理网络。通过机器学习，我们发现皮层-皮层和丘脑-皮层投射的等级方向性体现在它们对PV+和VIP+中间神经元的支配平衡中。自下而上的投射偏好PV+神经元，而自上而下的投射偏好VIP+神经元。基于这个规律，我们建立计算模型解析了整个视觉信息处理相关的皮层丘脑网络中各脑区构成的等级神经网络。在此基础上，我们结合光遗传学和全细胞膜片钳记录检测了该网络中主要的皮层-皮层和丘脑-皮层投射在各皮层区域不同种类中间神经元上的输入强度，验证了体现在对不同种类神经元的支配差异上的解剖学等级与生理学等级的高度一致性。与此同时我们还分析了自下而上和自上而下的输入在不同种类抑制性神经元上的短时程可塑性，解析了等级神经网络的时间动态特性。我们的工作揭示了神经网络中等级与功能的一般规律，根据脑区间的等级我们可以推断每个远距离投射在皮层局部微环路中的功能，这将大大有助于对神经环路在动物行为中的功能的研究。