猕猴初级视觉皮层中弧形识别神经元的发现与研究

摘要

视觉对灵长类有着重要意义，各类视觉信号在视觉通路各层级究竟是以怎样的方式被编码一直是一个令人感兴趣的课题。 灵长类的视觉形状识别依赖于一个从初级视皮层到下颞叶皮层的多层级通路。视觉刺激被视网膜接收后经由侧膝状体核首先向大脑皮层中的初级视觉皮层V1区投射，在这里，有着大量能被短边、线段等直线类刺激激活的神经元。研究发现初级视觉皮层中的简单细胞(simple cell)和复杂细胞(complex cell)编码了直线类视觉信号的朝向信息，另外一类超复杂细胞(supercomplex cell)则在编码直线类视觉信号朝向的同时，通过两端抑制区编码直线的长度信息。而比直线类更复杂的视觉形状刺激，如弧线、折线、交叉等轮廓，则通常被认为要进一步传递到更高级的纹外视皮层（如V2、V4区）后才会得到表征。 复杂图形中，弧线是一类在自然界大量存在的视觉刺激，其分布比直线类更加广泛，且对动物有重要意义。过去的电生理研究针对V4区存在的编码弧形的神经元做了大量工作，但这种神经元还从未在V1区被发现。虽有零星研究在初级视觉皮层观察到少量对弧线反应的神经元，但由于样本数量不足且缺乏系统的对照实验，因而对其反应的特异性无法确认，对这类细胞的编码机理、分布特征也从未进行系统的研究和阐述。甚至也有研究认为V1区中对弧线反应的细胞实际上只是对直线反应且对直线长度有要求的超复杂细胞，它们对弧线刺激的兴奋是其对图形长度编码能力的反映，并不是真正编码弧线的神经元。 本文中，在2只清醒猕猴中使用了长时程双光子钙成像(long-term two-photon calcium imaging)技术：首先在猕猴的初级视觉皮层使用腺相关病毒转染并表达了钙荧光蛋白GCaMP5;此后，在用屏幕向清醒猕猴视野中呈现视觉刺激图形的同时，用双光子荧光显微镜在猕猴皮层病毒转染部位的L2层，对大量神经元在接收视觉信号刺激后的胞体荧光亮度变化，即神经元的兴奋程度进行观察和记录。利用这一先进的技术手段，首次在初级视皮层V1区中发现了对弧形视觉刺激有特异反应的弧形识别神经元(curvature detecting cell)，并通过一系列详尽且有针对性的对照试验，排除了观察到的神经元反应源于V1区已被证明存在的超复杂细胞、中心和外周感受野表征朝向正交的细胞以及对特定空间频率有选择性的细胞的可能性，证实了该类神经元对弧形编码的特异性。随后验证了这类弧形识别神经元是对弧形具体位置和大小具有一定反应带宽、表征图形自身形态特征的复杂神经元，而不是对图形位置和大小敏感、通过感受野激活区和抑制区的形状来编码图形的简单神经元。此外，本文发现各个弧形识别神经元对弧形方向的偏好与其所在功能柱的直线朝向偏好一致，揭示了这类弧形识别神经元与相邻的大量编码直线朝向的V1区神经元在功能上的相关性。 最后，针对前馈信号如何通过各层级神经元的逐级加工最终达成弧形识别神经元对弧形的独立表征这一问题，提出了两种可能的模型：即“简单弧形细胞模型”——感受野排列成弧形的多个LGN细胞投射到V1区激活简单弧形细胞，多个同朝向简单弧形细胞再进一步投射激活复杂弧形神经元;和“直线-弧线模型”模型——V1区多个编码直线朝向的复杂细胞共同投射激活一个复杂弧形神经元。并提出后者是可能性更大的一种机制，同时探讨了后续研究方向。 本文发现的可以独立编码形状信息的V1区神经元，是对视觉系统形状表征传统理论的一次突破，大大扩展了对初级视皮层的功能的理解，为相关领域的理论探索提供了新的视角。

目录

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摘要

第一章引言

1．1概述

1．2视觉感知中的信息传递和加工

1．2．1视觉感知是一个主动加工过程

1．2．2视觉感知涉及多个脑皮层区域

1．2．3初级视觉皮层在视觉感知通路中的作用

1．2灵长类模式动物中的视觉系统研究

1．2．1灵长类模式动物在神经科学中的应用

1．2．2灵长类模式动物与视觉系统研究

1．3长时程双光子钙成像技术

1．3．1双光子钙成像技术

1．3．2清醒猕猴中的长时程双光子钙成像技术

1．4初级视皮层中的弧形反应神经元

1．4．1初级视皮层中存能被弧形相关刺激激活的神经元

1．4．2关于初级视皮层中弧形反应神经元编码机理的假说

1．4．3端位抑制假说及相关支持证据

1．4．4朝向不连续性假说及相关支持证据

1．4．5简单弧形细胞假说

1．4．6复杂弧形细胞假说

1．5本研究的意义与内容

第二章材料与方法

2．1．4实验动物福利和伦理审查

2．2病毒转染与钙指示荧光蛋白的表达

2．2．1 AAV病毒的注射

2．2．2双光子成像视窗的安装

2．2．3头部固定支架的安装

2．2．4手术通用操作和药物使用

2．3猕猴的行为任务

2．3．1行为任务训练

2．3．2行为任务中的猕猴眼动的监视与控制

2．4视觉刺激的呈递与图片序列的生成

2．4．1视觉刺激的呈递

2．4．2图片序列的生成

2．5长时程双光子成像的操作

2．5数据处理与分析

2．5．1图像校准

2．5．2神经元的识别

2．5．3计算神经元反应强度

第三章实验结果与讨论

3．1．1 GCaMP5钙指示剂的表达及观察位点的选择

3．1．2神经元对不同视觉刺激的反应强度区别

3．2初级视皮层V1中有对弧形视觉剌激反应的神经元

3．2．1皮层位点总体感受野位置的确定

3．2．2初级视觉皮层神经元可被自然图片激活

3．2．3从自然图片中提取神经元编码的几何图形

3．2．4初级视觉皮层中存在编码弧线类复杂图形的神经元

3．3弧形识别神经元的筛选

3．3．1初级视觉皮层中对弧形反应的神经元涵盖多种假说类别

3．3．2弧形识别神经元的初步筛选

3．4弧形视觉刺激的优化

3．4．1位置的优化

3．4．2形制的优化

3．4．3尺寸的优化

3．5弧形识别神经元的特异性验证与编码机理探究

3．5．1所有目标神经元不符合“端位抑制假说”

3．5．2所有目标神经元不符合“朝向不连续性假说”

3．5．3所有目标神经元不符合“简单弧形细胞假说”

3．5．4排除目标神经元对空间频率反应的可能性

3．5．5所有目标神经元均对弧形相关刺激特异反应且为弧形复杂神经元

3．6弧形识别神经元的圆弧方向偏好与其空间分布规律

3．6．1弧形识别神经元对圆弧方向有偏好

3．6．2弧形识别神经元的圆弧方向偏好与所在功能柱的直线朝向偏好一致

3．7弧形识别神经元的两种回路模型

第四章总结与展望

4．2展望与讨论

4．2．1不同编码机理的弧形反应神经元的生物学意义探讨

4．2．2弧形特异反应神经元的两种可能回路——可能性评估与验证方法探讨

4．2．3关于初级视皮层——超出预计的复杂度和那些我们尚未知晓的事

参考文献

附录

致谢

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