中科院之声|视觉学习行为的神经机制研究取得进展
6月3日 ， 《自然-通讯》（Nature Communications）期刊在线发表了题为《眶额叶皮层通过调节初级视皮层的反应增益促进视觉偶联学习》的研究论文 ， 该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室姚海珊研究组完成 ， 博士研究生刘德陈为第一作者 。
早期对眶额叶皮层(Orbitofrontal cortex ,OFC)功能的认识来源于脑损伤的病人 。 一个著名的例子是19世纪的铁路工人菲尼亚斯·盖奇 ， 在一次事故中他的头部被一根铁棍穿过 ， 损伤了包括OFC在内的前额叶皮层 ， 他虽然活了下来 ， 但是性格却变得固执、任性、反复无常 。 在灵长类和啮齿类的实验发现 ， OFC在灵活行为和学习行为中发挥关键作用 。 在刺激-奖励偶联的行为中 ， OFC神经元编码奖励预期或刺激的预期价值 。 OFC编码的奖励预期信号能传递到其它与学习和奖励行为有关的脑区 ， 包括基底外侧杏仁核、腹侧被盖区和纹状体 。 最近啮齿类的皮层连接图谱研究发现 ， OFC神经元向感觉皮层（包括初级视皮层V1）有反馈投射 。 但是 ， 该反馈投射具有什么功能还知之甚少 。
研究团队发现 ， 光遗传激活OFC投向V1的纤维能够降低V1神经元对视觉刺激的反应幅度 ， 但不影响方位选择性 。 随后的脑片电生理和在体光纤记录实验发现 ， OFC反馈投射通过激活V1的SST抑制性神经元降低V1反应幅度 。 研究人员推测 ， OFC对V1的反馈投射可能起到过滤任务无关刺激的作用 。 为了研究该投射在视觉行为中的作用 ， 研究人员训练小鼠进行Go/No-Go视觉任务 。 在Go刺激出现后 ， 小鼠可以获得水作为奖励；在No-Go刺激出现后 ， 没有奖励也没有惩罚 。 在行为训练的过程中 ， 小鼠逐渐学会在No-Go刺激出现后不舔水 。 在小鼠的V1进行电生理记录发现 ， V1神经元对No-Go刺激的反应受到奖励预期的调节 ， 在预期正确情况下的放电率低于预期错误的情况下 ， 该调节作用由OFC向V1的反馈投射介导 。 通过光遗传标记技术 ， 发现投向V1的OFC神经元通过降低放电率的方式编码奖励预期信号 ， 与V1神经元相反 。 进一步的实验表明 ， 在No-Go刺激出现时抑制OFC向V1投射的活动能够减慢小鼠的视觉学习速率 ， 而光遗传激活V1的SST抑制性神经元能够提高小鼠的学习速率 。 因此 ， 该项工作表明 ， OFC向V1的投射能够调节V1神经元对奖励无关刺激的反应 ， 通过改变刺激的显著性来易化视觉偶联学习 。
该研究在研究员姚海珊的指导下 ， 主要由博士研究生刘德陈完成 ， 研究员孙衍刚和杨天明参与合作并给予指导意见 ， 孙衍刚组的邓娟、杨天明组的张哲伟、姚海珊组的张治宇也做出了重要贡献 。 本工作得到国家自然科学基金委员会、中科院和上海市政府的资助 。
本文插图
【中科院之声|视觉学习行为的神经机制研究取得进展】
图注：A. 在刺激-奖励偶联行为中 ， OFC神经元的奖励预期信号通过反馈投射到V1 ， 使得V1神经元对视觉刺激的反应受到奖励预期的调节 。 B. 抑制OFC向V1投射的活动 ， 减慢视觉偶联学习 。 C. OFC的奖励预期信号对V1视觉反应的调节 ， 改变了视觉刺激的显著度；V1视觉反应的变化 ， 有助于OFC奖励预期信号的更新 ， 从而促进学习
来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/神经科学研究所
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