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神经所杜久林研究组发现控制动物行为选择的神经环路机制
发布日期:2016-01-22    浏览次数:470
1月21日,《神经元》期刊在线发表了中科院上海生命科学研究院神经科学研究所杜久林研究组题为《视觉刺激选择性的多巴胺能信号控制视觉–运动信息转换和行为选择》的研究论文。该研究发现下丘脑多巴胺能神经元和后脑甘氨酸能抑制性神经元组成功能模块控制视觉–运动信息转换,从而实现视觉刺激特异性的行为选择。这是首次在脊椎动物上从细胞水平、环路水平和行为水平解析了感觉–运动信息转换和行为选择的发生和控制机制。

动物对不同的感觉刺激产生不同的行为反应,这对动物生存至关重要。关于其神经机制的研究,之前的工作多集中在感觉系统信息处理方面。以视觉为例,视觉通路的各级(视网膜–外侧膝状体–视皮层)神经元对视觉刺激不同方面的信息加工处理,如形状、颜色、运动、对比度等。但视觉刺激所包含的行为意义是怎样被大脑处理的,大脑处理后又如何根据刺激的行为意义调控行为的发生尚不清楚。为了更好的解析行为选择的神经机制,杜久林组姚园园等利用斑马鱼的逃跑环路为模型,研究了不同行为意义的视觉刺激引起不同行为的神经机制。首先,他们发现斑马鱼仅对危险性–而非非危险性–视觉刺激产生逃跑行为,且这一行为控制发生在视觉信息由视觉中枢传递向逃跑命令神经元阶段(即视觉–运动信息转换阶段)。其次,发现下丘脑多巴胺能神经元和后脑甘氨酸能抑制性神经元组成功能模块控制这一行为选择。再次,他们发现这一功能模块对危险性和非危险性视觉刺激的不同控制是由多巴胺能神经元和甘氨酸能抑制性神经元的视觉反应特性实现的:对非危险性视觉刺激,多巴胺能神经元及其正向调控的抑制性神经元电活动增加,阻断视觉信息从视觉中枢向逃跑运动命令神经元的传递,使非危险性视觉刺激不能诱导逃跑行为; 对危险性视觉刺激,这两种神经元的活动受到抑制,解除了视觉信息从视觉中枢向逃跑运动命令神经元传递过程中的抑制,从而使危险性视觉刺激诱发逃跑行为。这一工作增加了我们对感觉–运动信息转换控制的认识,进一步增强了对神经调质系统在行为选择中作用的认识。神经调质系统响应感觉刺激这一特点可能代表了一个普遍的机制,即神经调质系统可以被感觉刺激调制,从而帮助动物产生相应的行为反应。

这项工作是在杜久林研究员指导下,由姚园园、李小泉、张白冰等人合作完成,并得到华中科技大学曾绍群教授和刘亚丰博士的大力支持。该工作受到中国科学院战略性先导科技专项(XDB02040003)、科技部国家重点基础研究发展计划(2011CBA00400, 2012CB945101) 、国家自然基金项目(31325011,31400954, 81327802)、上海市优秀学术带头人项目(14XD1404100)和青年科学基金(13ZR1464000)等项目的支持。

图注:下丘脑多巴胺能神经元和后脑甘氨酸能神经元根据视觉刺激的生理意义控制视觉信息由视觉中枢视顶盖向逃跑命令神经元Mauthner cell的传递。对危险性视觉刺激,多巴胺能神经元及其正向调控的抑制性神经元活动降低,解除了视觉信息从视觉中枢向逃跑运动命令神经元传递过程中的抑制,从而诱发逃跑行为。对非危险性视觉刺激,这两类神经元的活动增加,阻断视觉信息从视觉中枢向逃跑运动命令神经元的传递,使之不能诱导逃跑行为。