联合皮层和黑质网状部对上丘多感觉信息处理的影响

Superior colliculus (SC) is a critical subcortical structure for the process of the sensory-motor integration, involving the control of eyes, head, ears and limb movement. SC receives sensory inputs from a variety of cortical and subcortical areas. Multiple sensory inputs converging on the SC makes the deep layer of SC full of multisensory neurons. Most of them have the capability of multisensory integrating enhancement. Different senses (visual, auditory, somatosensory) are coordinated together to form the congruent topographic distribution across the SC. However, it is still unclear how these astonishing features are established in SC. From the perspective of top-down control in neural circuit, we explore this issue in cats. It is well known that associated cortices ( one of the major sources sending excitatory inputs to SC ) and the substantia nigra pars reticulata - the main inhibitory sources targeting SC are tightly connected with the SC. Here, we want to know how these two areas influence the integrative capability of SC neurons and how to work together to coordinate the different senses. The activity of associated cortices is controlled by the cryogenic operation. The activity of SNr is controlled by the drug injection (bicuculline and muscimol). These research will shed new light on the underlying mechanism in the circuit level, by which different areas of the brain cooperate together to facilitate the multisensory process. The result will provide the strong support for diagnosing and treating many brain diseases, such as sensory deficits, motor function damage and sensory-motor disorder caused by brain trauma, apoplexy, etc.

上丘是皮层下一个感觉-运动中枢，主要控制头、眼、耳及部分肢体对外界刺激的朝向运动，它接收来自皮层和皮层下结构的广泛投射。多个感觉模态信息的汇聚使上丘深层富含多感觉神经元，它们中的大多数具有多感觉整合增强功能，各个感觉模态（视、听、身体感觉）的空间感受野在上丘深层形成精确拓扑分布。但目前我们仍不清楚这种令人惊讶的特性是如何形成的。本课题将以猫为动物模型，采用局部低温冷却和微量药物注射技术，从神经环路上下级信息相互影响的角度，研究多感觉联合皮层（向上丘发出兴奋性投射）和黑质网状部（为投向上丘的主要抑制性脑区）如何影响上丘多感觉信息处理及高度一致的拓扑分布。将在神经环路网络水平上，探索大脑不同部位（皮层、黑质、上丘）如何相互作用进行多感觉信息处理的机制。研究结果还将为脑的相关疾病（如脑损伤和中风等引起的感觉运动失调）的诊疗、康复提供理论基础。

上丘是皮层下一个感觉-运动中枢，主要控制头、眼、耳及部分肢体对外界刺激的朝向运动，受到来自于联合皮层和皮层下结构如黑质致密区（SNr）的神经投射。运用神经电生理和低温冷却技术，我们系统研究了联合皮层、SNr和上丘之间的调控关系以及各个相应脑区神经元反应特性以及经验依赖的变化。研究结果显示，低温失活一侧联合皮层会导致同侧上丘的视觉和听觉空间感受野发生改变，主要表现为听、视空间感受野变小并发生相互分离，视、听感受野的空间一致性遭到破坏和整合能力下降；不同感觉信号在上丘多感觉神经元存在着显著的空间调谐性，即神经元的一种感觉模态的空间感受野，可以动态地被前一个刺激的空间位置所调制，即空间感受野向前一个刺激的空间位置发生偏移；感觉经验剥夺或被屏蔽（如用噪音）可造成的上丘多感觉神经元整合功能缺失，但研究结果显示如果把动物暴露于多感觉视-听多感觉刺激一段时间，上丘多感觉神经元的整合功能可以正常发展,但这一感觉经验依赖的发育过程需要联合皮层的参与；联合皮层的范围处于动态的变化中，把动物暴露于视-听多感觉刺激，我们发现联合皮层的区域逐渐扩大，同时上丘神经元的比率也逐渐升高，这种趋势在幼年训练组上尤为明显； SNr神经元具有较高的自发放电，感觉刺激的诱发反应比较小，有很高比率的神经元对感觉刺激的反应呈现反应抑制，失活联合皮并不对SNr的反应产生显著性影响；SNr只是对上丘神经元放电的强度起调制作用，但是并不对感受野和整合方式产生影响，表明联合皮层对上丘的影响，可能主要通过联合皮层—上丘这一直接通路完成，而不是通过联合皮层—黑质—上丘这一间接通路。这些研究结果在底层—功能和环路级别，揭示了大脑不同部位（皮层、黑质、上丘）如何相互作用进行多感觉信息处理，研究结果为神经系统许多疾病（如脑损伤和中风等引起的感觉运动失调）的诊断和治疗提供神经机制支持。

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