缰核的结构和功能

缰核是脊椎动物进化上高度保守的一个大脑核团。缰核被认为是情绪相关行为控制或调节的一个关键节点,参与调节焦虑、恐惧、奖赏、抑郁、尼古丁成瘾等行为。一方面,行为选择和情感相关的神经信息主要分别通过基底神经节和边缘系统输入到缰核;同时,缰核还接受多种感觉模态信息的输入。其中,缰核的视觉输入来源于视网膜神经节细胞(retina ganglion cells,RGCs)和丘脑构成的视觉通路,参与到斑马鱼的亮偏好行为(light-preference behavior)中。另一方面,缰核主要投射到多巴胺能系统和5-羟色胺能神经调质系统。正是由于缰核既接受动物内在情绪信息的输入,又接受外界感觉信息的输入,同时支配多巴胺和5-羟色胺等重要的调质系统,其神经功能表现出多样性和复杂性。本文从缰核的结构和神经连接入手,综述了目前已知的缰核神经功能及其结构基础,并进一步探讨了未来重要的研究方向。     

虚拟视觉刺激引起幼年斑马鱼捕食行为放弃的研究

目的 当动物重复某种行为以逃避危险或获取奖励而无法成功时，会产生放弃。放弃是一种常见且基本的行为，在小鼠等模式动物中已经被广泛研究，但是其部分神经机制仍未被阐明。幼年斑马鱼适合进行全脑光学成像，是神经科学领域的重要模式生物。已经有研究者通过持续电击等消极刺激诱发斑马鱼放弃行为，然而奖励刺激能否引起斑马鱼放弃尚无报道。本文对奖励刺激引起的斑马鱼放弃行为进行了探究。方法 通过给予斑马鱼虚拟的食物视觉刺激，检验斑马鱼对虚拟食物的捕食情况，比较斑马鱼捕食频率和单次捕食时长随时间的变化。结果 虚拟的食物视觉刺激可以引起斑马鱼的捕食行为，接受25 min虚拟刺激后，8日龄以上斑马鱼的捕食频率和单次捕食时长均出现显著下降。结论 此研究丰富了斑马鱼放弃行为的研究范式，实验结果表明，缺失真实奖励的虚拟食物刺激可以诱导斑马鱼放弃捕食行为，这将进一步加深对动物放弃行为的理解，推动对其神经机制的研究。     

幼年斑马鱼的视觉系统与捕食行为

神经环路的研究是揭示动物行为神经机制的关键。斑马鱼作为一种低等脊椎动物, 在神经环路的研究中有着独特优势。文章描述了斑马鱼视觉系统及其下游的神经环路, 重点讨论了它们在捕食行为中的可能作用。斑马鱼捕食行为主要依赖于视觉功能, 该过程涉及到视觉-运动通路各个层次的神经环路, 包括下游的网状脊髓命令神经元、脊髓内部的运动控制环路以及一些亟待研究的功能单元。随着在体记录和操纵神经元活动技术的成熟, 以及行为学范式的完善, 对斑马鱼捕食行为相关神经环路的研究将在未来数年内迅速发展, 同时也将推动神经科学相关研究的进步。     

斑马鱼依托咪酯麻醉模型的建立北大核心CSCD

全身麻醉药广泛应用于临床,但其引起全身麻醉状态的神经机制至今仍不清楚。脊椎动物斑马鱼具有保守而简单的脑结构,近几年来已应用于神经机理基础性的研究。在本工作中,我们从行为和电生理水平上,首次建立了斑马鱼麻醉模型。在细胞外液中施加静脉麻醉药依托咪酯(etomidate),可以浓度依赖性地抑制斑马鱼的运动。在体细胞外电生理记录显示,依托咪酯可有效阻断斑马鱼脊髓运动神经元的电活动。运用在体局部场电位和全细胞记录技术,进一步发现依托咪酯可显著抑制大脑群体神经元的活动,并阻断视觉信号的传递。本工作表明,斑马鱼可以作为一种合适的动物模型,应用于全身麻醉药神经机制的研究。     

斑马鱼依托咪酯麻醉模型的建立

全身麻醉药广泛应用于临床,但其引起全身麻醉状态的神经机制至今仍不清楚。脊椎动物斑马鱼具有保守而简单的脑结构,近几年来已应用于神经机理基础性的研究。在本工作中,我们从行为和电生理水平上,首次建立了斑马鱼麻醉模型。在细胞外液中施加静脉麻醉药依托咪酯(etomidate),可以浓度依赖性地抑制斑马鱼的运动。在体细胞外电生理记录显示,依托咪酯可有效阻断斑马鱼脊髓运动神经元的电活动。运用在体局部场电位和全细胞记录技术,进一步发现依托咪酯可显著抑制大脑群体神经元的活动,并阻断视觉信号的传递。本工作表明,斑马鱼可以作为一种合适的动物模型,应用于全身麻醉药神经机制的研究。     

自然感觉刺激对脑发育的影响

大脑的正常认知功能依赖于其复杂而精细的神经网络。来自环境的刺激,特别是自然的感觉刺激,对大脑皮层的多个脑区中神经元的生长、突触的形成,以及神经网络的建立至关重要。感觉输入不仅可以影响其对应感觉皮层的功能,而且可以通过跨模态机制影响其他感觉皮层的功能。然而,前人关于跨模态可塑性机制的研究主要集中在成年个体上,基本没有涉及发育早期的机制。为了研究自然感觉刺激对大脑皮层的调节,中科院神经所于翔研究组建立了对新生小鼠进行感觉刺激或剥夺的行为范式,包括通过胡须拔除对小鼠进行特异的触觉剥夺、黑暗环境饲养对小鼠进行特异的视觉剥夺,和丰富环境饲养对小鼠进行多模态的自然感觉刺激。研究发现,从出生起对小鼠进行触觉或视觉剥夺,不仅影响了对应大脑皮层的发育,而且还减缓了其他感觉皮层的发育,而通过丰富环境饲养增加感觉刺激可以促进多个感觉皮层的发育。该研究揭示了一种新型的发育早期感觉经验依赖的感觉皮层跨模态可塑性机制,并发现了催产素这种由下丘脑分泌的神经肽是介导该跨模态可塑性的关键分子。催产素由于其与情绪和社交行为的相关性,已成为孤独症治疗的热点分子之一。该研究提示催产素在发育更早期就对感觉皮层的神经环路形成有重要的促进作用。鉴于孤独症患儿经常伴随有感觉输入的异常,该发现对进一步解析孤独症的致病机制有重要的借鉴意义。     

听觉皮层信号处理

听觉系统和视觉系统的不同之处在于：听觉系统在外周感受器和听皮层间具有更长的皮层下通路和更多的突触联系。该特殊结构反应了听觉系统从复杂听觉环境中提取与行为相关信号的机制与其他感觉系统不同。听皮层神经信号处理包括两种重要的转换机制,声音信号的非同构转换以及从声音感受到知觉层面的转换。听觉皮层神经编码机制同时也受到听觉反馈和语言或发声过程中发声信号的调控。听觉神经科学家和生物医学工程师所面临的挑战便是如何去理解大脑中这些转换的编码机制。我将会用我实验室最近的一些发现来阐述听觉信号是如何在原听皮层中进行处理的,并讨论其对于言语和音乐在大脑中的处理机制以及设计神经替代装置诸如电子耳蜗的意义。我们使用了结合神经电生理技术和量化工程学的方法来研究这些问题。     

自身运动感知中视觉-前庭整合的研究进展

日常生活中,机体利用自己的感官,以不同的感觉通路(视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉、前庭觉和本体觉等)获取环境中的信息以及自身相对于环境的信息,输入大脑进行加工处理,并作出反应。这些不同模态的感觉输入信息在大脑中存在跨模态(cross-modal,如视觉和听觉、听觉和嗅觉,甚至跨越三种或更多感觉模态信息)相互整合,从而对动物的感知、运动、学习记忆和决策等起着非常重要的作用。在过去的十几年里,多感觉整合研究领域吸引了一批学科交叉的科学研究人员,极大地推进了这一研究领域的发展。本文着重介绍自身运动感知过程中视觉和前庭信息整合机制的研究进展,分别从多感觉整合发生的脑区、神经元对多感觉信息的编码特性以及神经元活动与行为的关系三个方面进行综述,并对未来的研究方向进行展望。     

初级视皮层神经元非经典感受野研究的新进展

感觉皮层神经元的非经典感受野(简称"外周")对经典感受野(简称"中心")的调节作用广泛存在于哺乳动物中,被认为是感觉皮层神经元的基本特性.以初级视皮层神经元为例,刺激其外周能有效地调节刺激其中心引起的反应,这种作用主要是抑制性的.理解初级视皮层神经元的外周对中心的调节机制能够深入揭示哺乳动物的感觉皮层神经元信息处理的基本原则.本文综述了引起初级视皮层神经元非经典感受野对经典感受野调节作用的神经环路机制和计算模型研究的进展.     

综述: 初级视皮层的亮度信息加工

亮度(luminance)是最基本的视觉信息.与其他视觉特征相比,由于视神经元对亮度刺激的反应较弱,并且许多神经元对均匀亮度无反应,对亮度信息编码的神经机制知之甚少.初级视皮层部分神经元对亮度的反应要慢于对比度反应,被认为是由边界对比度诱导的亮度知觉(brightness)的神经基础.我们的研究表明,初级视皮层许多神经元的亮度反应要快于对比度反应,并且这些神经元偏好低的空间频率、高的时间频率和高的运动速度,提示皮层下具有低空间频率和高运动速度通路的信息输入对产生初级视皮层神经元的亮度反应有贡献.已经知道初级视皮层神经元对空间频率反应的时间过程是从低空间频率到高空间频率,我们发现的早期亮度反应是对极低空间频率的反应,与这一时间过程是一致的,是这一从粗到细的视觉信息加工过程的第一步,揭示了处理最早的粗的视觉信息的神经基础.另外,初级视皮层含有偏好亮度下降和高运动速度的神经元,这群神经元的活动有助于在光照差的环境中检测高速运动的低亮度物体.     

初级视皮层的亮度信息加工

亮度(luminance)是最基本的视觉信息.与其他视觉特征相比,由于视神经元对亮度刺激的反应较弱,并且许多神经元对均匀亮度无反应,对亮度信息编码的神经机制知之甚少.初级视皮层部分神经元对亮度的反应要慢于对比度反应,被认为是由边界对比度诱导的亮度知觉(brightness)的神经基础.我们的研究表明,初级视皮层许多神经元的亮度反应要快于对比度反应,并且这些神经元偏好低的空间频率、高的时间频率和高的运动速度,提示皮层下具有低空间频率和高运动速度通路的信息输入对产生初级视皮层神经元的亮度反应有贡献.已经知道初级视皮层神经元对空间频率反应的时间过程是从低空间频率到高空间频率,我们发现的早期亮度反应是对极低空间频率的反应,与这一时间过程是一致的,是这一从粗到细的视觉信息加工过程的第一步,揭示了处理最早的粗的视觉信息的神经基础.另外,初级视皮层含有偏好亮度下降和高运动速度的神经元,这群神经元的活动有助于在光照差的环境中检测高速运动的低亮度物体.     

兴奋性和抑制性活动平衡神经网络中的混沌现象

兴奋性和抑制性活动平衡神经网络中的混沌现象动物皮层脑片受到恒定电流刺激时,神经元放电较为规则,而行为动物大脑神经元呈现不规则的放电模式,这是否意味着完整大脑神经元的不规则放电是由其突触输入存在着强烈的时间波动所致？但对于单个皮层神经元而言,即使单个突...     

大脑中的抉择神经元

近年来神经科学领域的进展表明,大脑中不仅存在如位置神经元之类的特异性编码感觉信息的神经元,也存在能够特异性地反映动物思考过程的神经元。在一系列以侧内顶叶(LIP)为目标的猕猴电生理实验中,人们发现LIP神经元的动作电位发放率可以反映抉择思考的过程。抉择的研究为我们打开了一个研究大脑高级认知功能的窗口。抉择神经元的发现表明了大脑的高级认知功能是基于与感觉信息处理类似的神经计算原理。     

以透明脑,观澄明心——斑马鱼神经功能研究进展

斑马鱼是一种相对新颖的模式脊椎动物,具有脊椎动物保守的神经系统构造和丰富的行为模式.近年来随着在体电生理、光学成像、遗传工程等方法的建立和完善,幼龄斑马鱼因其脑部透明、结构简单的特点,日益成为从突触、神经元、环路到行为等多层次,在全脑尺度上探究神经系统功能机制的理想动物模型.本文综述了近年来利用斑马鱼在感觉信息处理、运动控制、学习与神经可塑性等方向上所取得的重要研究进展,并对新技术的开发提出了展望.随着研究思路的深化和实验手段的推陈出新,斑马鱼模式动物必将成为探索脑工作原理之利器,为神经科学研究带来更多的突破.     

综述: 引发“战斗?鄄逃跑”反应的神经环路机制

"战斗-逃跑"反应是人和动物面临生存威胁时,产生的一系列应激行为和生理反应,该反应有助于个体提高战斗或逃跑的能力,以提高生存概率.过度或反复"战斗-逃跑"反应能诱发一类称为创伤后压力应激障碍(post-traumatic stress disorder,PTSD)的精神疾病.频繁的自然灾害和交通事故使我国人口受到PTSD的严重危害.要揭示PTSD的发病机理,首先需要深入地了解引发"战斗-逃跑"反应的脑内神经环路和机制.本文综述了该研究领域的进展和亮点工作,强调了该研究在国家相关领域中的重要性.     

猕猴执行痛、热延缓辨别作业时额叶神经元及肌电活动的观察

为研究额叶神经元对躯体痛、热刺激出现反应的机能意义,设计了痛、热延缓辨别作业对猕猴进行实验。痛和热仅在暗示期给予,要求动物对此不立即作出行为反应。而是暂时记住这个信号,等到行动期再作出反应。待作业正确率连续三天达90%以上,记录额叶神经元和两侧上肢肌肉的电活动.以观察神经元活动与信号刺激以及肌肉活动之间的关系。在记录的142个作业相关神经元中,与痛、热刺激相关者87个(66.4%)。其中22个仅对痛刺激、18个仅对热刺激起反应,47个对痛、热刺激都起反应(其中4个反应方向相反)。此外,有21个对痛、热、视都出现反应。其余仅对视觉刺激起反应。这些神经元主要位于额叶弓状沟上支内侧,包括前额叶和运动前区皮层。在两侧上肢12块肌肉中,除操作侧指总伸肌、尺侧腕屈肌和桡侧腕屈肌在压放杠杆时,可记录到短暂的肌电活动外,在作业的其它时期和其它肌肉均未记录到规律的肌电活动。这表明痛热刺激在暗示期引起的神经元反应与行为动作的发动没有直接关系,从而支持关于额叶皮层这一区域的神经元在对刺激物信号意义的辨别机制中,可能起着重要作用的假说。     

渐近优先性及其机制

对渐近信号的优先加工被称为渐近优先性,该效应普遍存在于人类和动物的视觉、听觉和跨感觉通道中.人类神经影像学研究发现负责加工渐近信号的脑区涉及一个大规模相互协作和沟通的分布式神经网络,包括颞上沟、颞顶叶连接处以及一些运动区.对多种动物的细胞水平研究也发现了对渐近信号选择性敏感的神经元和神经通路.威胁论、注意捕获理论和自动加工理论从不同角度解释了渐近优先性产生的原因.未来研究可进一步考察刺激的社会、情绪等属性对渐近优先性的影响,探索多通道渐近渐远信息的整合和注意分配机制.     

综述: 渐近优先性及其机制

对渐近信号的优先加工被称为渐近优先性,该效应普遍存在于人类和动物的视觉、听觉和跨感觉通道中.人类神经影像学研究发现负责加工渐近信号的脑区涉及一个大规模相互协作和沟通的分布式神经网络,包括颞上沟、颞顶叶连接处以及一些运动区.对多种动物的细胞水平研究也发现了对渐近信号选择性敏感的神经元和神经通路.威胁论、注意捕获理论和自动加工理论从不同角度解释了渐近优先性产生的原因.未来研究可进一步考察刺激的社会、情绪等属性对渐近优先性的影响,探索多通道渐近渐远信息的整合和注意分配机制.     

猕猴前额皮层神经元对信号刺激和无关刺激反应的比较研究

在两只已建立视觉分辨行为以及一只未经训练的猕猴上记录了前额皮层主沟区的单位放电,视觉分辨作业包括下列事件;（1）暗示信号红光（在R模式中）或蓝光（在B模式中）（1.30^s);(2）延缓期（2.10s);（3）反应期出现白光（1.88s)在R模式中动物必需在白光出现后立即拉杆以避免电击在B模式中不给予电击,要求动物不拉杆,共记录了127个前额皮层单位,其中80个单位的放电变化与视觉分辨作业的事件相关,占总数的63%,在测试间歇期内观察了前额皮尾神经元对无关的短声\闪光以及闪烁的红、蓝和白光的反应,总共对96个单位进行了短声和/或闪光刺激的测试,其中23个（24%）对上述刺激产生反应,并大部分（15个）是与行为作业中事件相关的单位,在对103个单位进行闪烁的红、蓝、白光测试中,发现只有12个（12%）单位有反应,在另一只未经训练的猕猴的前额皮层主沟区记录了100个单位,发现只有4个（4%）单位对无关的光刺激有反应,这些光刺激的物理性与上述实验中所采用的刺激相同,以上结果表明,通过学习具有行为意义的刺激能引起更多的前额叶神经元的放电活动,也就是说前额叶神经元对具有行为意义的刺激的反应是在学习过程中形成的,它们的活动是可塑的。     

清醒猕猴前额叶和运动前区神经元多感觉活动的观察

本实验对清醒猕猴前额叶和运动前区神经元多感觉活动进行了观察。在动物进行课题操作中记录单神经元放电。课题中包括视、痛、热三种感觉刺激。在所记录的338个课题相关神经元中,对一种感觉刺激呈现反应者156个,对两种刺激反应者94个,对三种刺激都反应者88个。为了观察不具有信号意义的感觉刺激的作用,在课题操作的间歇期给动物以痛、热、视、听、触等自然刺激。在测试的176个课题相关神经元中,仅72个神经元对自然刺激呈现反应。其中对一种感觉刺激反应者45个,对两种刺激反应者19个,三种者5个,四种者3个。多数神经元对痛(N=33),视(N=30)和热(N=29)刺激呈现反应,仅有3个神经元对声音,9个神经元对触刺激出现反应。绝大多数神经元位于弓状沟上支内侧的颗粒和无颗粒皮层内。本实验表明,痛、热、触、视、听觉等投射到额叶皮层的相同部位,不同程度地会聚到同一神经元上。有信号意义的刺激与没有信号意义的刺激相比,前者可激活更多的神经元。