【文献解读】OFC投射V1神经环路促进视觉相关学习的神经机制

        眶额皮质(OFC)因其位置在眼眶上方而得名。小鼠和非人类灵长类动物模型研究发现OFC编码特定刺激的奖赏信号，调控可变、结果导向的行为，抑制该脑区活性后小鼠将不能进行结果导向的行为。OFC直接输入到杏仁核BLA区、腹侧被盖区（VTA）、纹状体，这些脑区是学习和奖赏相关行为的关键脑区。OFC编码结果期望信号在VTA脑区多巴胺神经元介导的奖赏预测性错误中发挥关键作用。

        OFC投射到初级视觉皮层（V1），但这种自上向下的投射功能尚不清楚。
 

        2020年6月3日中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心姚海珊研究团队在Nature Communications杂志上发表文章揭示了OFC投射到V1的神经环路促进视觉相关学习的神经机制。
 

图1 病毒示踪解析OFC投射到V1的神经环路

        研究人员向V1脑区注射逆行示踪染料CTB后发现在OFC区域观察到荧光表达，在OFC注射顺行示踪病毒后在V1脑区存在荧光表达。这就表明存在OFC投射到V1脑区。

        这种从上到下的OFC- V1投射功能是怎样的？研究人员发现无论是麻醉状态下还是清醒状态下，通过光激活OFC投射V1的轴突后（以下称OFC-V1环路）可明显降低V1脑区的神经元活性。随后电生理实验发现激活OFC-V1环路后可诱导V1脑区的神经元出现兴奋性和抑制性突触后电流，并且兴奋性电流出现的时间比抑制性电流要早一些。这其中可能存在抑制性的前馈作用。
 

图2 光激活OFC-V1环路激活V1脑区的抑制性神经元

        研究人员发现V1 脑区的小清蛋白(PV)、生长抑素（SST）和血管活性肠多肽(VIP)中间能神经元均接受来自OFC区的直接输入。通过光纤钙成像技术发现光激活OFC后V1 脑区 SST中间能神经元钙离子活动增加，而PV能和VIP能中间能神经元钙离子活动减少。而光抑制OFC-V1环路并不引起V1脑区的神经元活性变化，并对行为学产生影响。

        研究人员设计了Go/No-Go视觉任务，当出现GO的视觉刺激后小鼠就会获得水的奖励，当出现No-Go视觉刺激后小鼠什么也得不到，小鼠经过训练后，可以形成对奖赏刺激（视觉刺激）的一种预期行为（获得水），当然也会出现对奖赏刺激预期错误。电生理实验发现在小鼠等待视觉任务的过程中V1区神经元对No-Go视觉刺激的响应强度要低于Go视觉刺激，并且在预期正确情况下的神经元放电频率低于预期错误的情况。

        光抑制OFC-V1环路后小鼠V1区神经元对Go视觉刺激的反应并无影响，但是明显增加在等待过程中小鼠V1神经元对No-Go视觉刺激的神经元放电频率。这些结果表明OFC-V1的神经环路调控VI参与Go / No-Go任务的响应过程。

        此外进一步的实验表明，在No-Go刺激出现时抑制OFC-V1神经元活性后并不影响小鼠对视觉任务的学习能力，但是在出现GO的视觉刺激抑制该环路后小鼠对视觉任务的学习能力出现迟缓。而激活OFC-V1神经元后既能促进小鼠在No-Go刺激下的学习能力又能促进小鼠在GO视觉刺激下的学习能力，但是这种促进是非常短暂的。

        在上述研究发现激活OFC神经元后，V1脑区SST抑制性神经元活性明显增加。因此研究人员推测V1的SST抑制性神经元可能会影响到视觉学习。在随后的光遗传实验发现激活V1的SST抑制性神经元能够提高小鼠学习的成功率。

        总的来说，本文通过病毒示踪技术、光遗传学技术和电生理技术证实了OFC-V1神经环路参与过滤非视觉相关的信息，促进视觉相关的学习。
 

图片来源：Nature Communications

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