猕猴双光子钙成像研究V2/V4区方向选择性神经元与生物运动感知的关系

Socially relevant information such as emotions, intentions and status can be extracted from the motion patterns of a monkey or a person. The perception of biological motion is critical for the survival of most species. Previous studies in monkeys show superior temporal sulcus (STS) is a core brain region to the processing of biological motion. However, the processing mechanism of biological motion along the hierarchical visual pathway is still unclear. According to the conflicting results from the neuropsychological studies in brain damage patients, the ventral and dorsal visual pathway could afford the processing of biological motion independently. Visual area V2 and V4, classic form and color area, also contain considerable motion direction selective (DS) neurons, which cluster to form function columns. These DS neurons were never involved by any studies which related to biological motion. Here we propose to study the contributions of V2 and V4 DS neurons to the perception of biological motion in three steps. (1) Locate the clusters of DS neurons in V2 and V4 with optical imaging methods. (2) Inject the AAV virus which carrying the gene of GCaMP into the direction domain of V2 and V4. The responses of the DS neurons in V2 and V4 could be recorded by two-photon microscope. (3) Explore the functions of V2 and V4 DS neurons in the processing of biological motion with segmental or whole biological motion stimuli. These results will be helpful to learn the functions and the underlying mechanisms of ventral visual stream in the processing of biological motion information.

从其他个体的肢体动作中提取出情绪、意图乃至社会地位等复杂信息的生物运动（BM）感知能力对个体的生存发展至关重要。颞上沟（STS）是猕猴BM处理的核心脑区，但BM是如何在STS区上游的层级视觉通路中逐步处理，对此我们知之甚少。脑损伤研究显示，腹侧和背侧通路似乎可以独立完成BM处理。此外，传统认为是处理形状和颜色信息的腹侧通路，也发现有大量运动方向选择性（DS）神经元的存在且聚集分布形成功能柱，而以往BM相关研究从未考虑这部分DS神经元的作用。基于此，我们提出深入研究V2和V4区DS神经元对BM感知的贡献。课题计划分三步展开：（1）利用光学成像定位V2和V4区DS神经元；（2）定点注射携带GCaMP基因的AAV病毒，利用双光子显微镜记录标记神经元的反应；（3）利用局部或完整的BM刺激来探索这些神经元在BM信息处理中的功能。这些结果将有助于了解腹侧通路在BM感知中的作用及背后的神经机制。

处理形状和颜色信息的视觉腹侧通路，也发现有运动方向选择性（DS）神经元的存在且聚集分布形成功能柱，但这些DS神经元的运动信息处理特性及其视觉功能目前并不清楚。本课题中，我们先通过内源信号光学成像技术在腹侧通路V2和V4区内定位出运动方向功能区，然后定点注射工具病毒（AAV-GCaMP6s），利用双光子显微镜记录标记的DS神经元对水平运动和旋转运动的反应特性，进而研究其运动信息处理机制，特别是探索相关神经元是否参与生物运动感知这一视觉任务。. 我们在3只动物的6个半球上进行了内源信号光学成像实验，结果显示各半球的V2和V4区都存在运动方向功能区，但其信号强度要显著弱于朝向和颜色功能区，且受刺激形状的调制。同时，我们在V4区还新发现了曲线功能区。我们在其中2只动物的3个半球的V4区上进行了病毒的定点注射，并用双光子显微镜记录了方向功能区内外神经元的反应。结果显示方向功能区内DS神经元的比例显著高于功能区外，验证了V4区DS神经元的聚集分布。. 在水平运动处理上，V4区DS神经元偏好更大的运动刺激，具有更弱的外周抑制，表明其大范围运动整合特性。在对叠加光栅的反应上，30.4%的V4区DS神经元表现出运动整合特性，这一比例显著高于V2区的8.5%，甚至高于MT区的25%。刺激形状显著调制DS神经元的反应强度，但不影响其偏好方向，表现出一定的可分性。对于旋转运动或生物运动刺激，V4区DS神经元的反应强度要弱于对水平运动的反应，也未表现出显著的对旋转运动模式的调制能力。. 上述结果揭示了V4区DS神经元的一些基本特性，如运动整合、方向和形状的双选择性等，为后续进一步研究其视觉功能奠定了基础。我们的结果表明V4区DS神经元更多的是处理水平运动信息，而不是旋转运动信息。由于V4区DS神经元的反应性质更类似于MT区，提示V4区的运动信息可能不是来自于V2区的直接投射，而是MT区的投射。

内容获取失败，请点击重试