我校基础医学部隋建峰教授团队在《Cerebral Cortex》上发布研究成果
发布人:wuph 发布时间:2017/7/3 9:08:36  浏览次数:99次
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内侧前额叶到脑桥核的投射调控弱线索引导的联合运动学习

吴广延 刘树雷 冯  华 隋建峰

 

为适应环境变化神经系统需通过不同机制对不同类型的学习记忆活动进行调控,但目前对相关调控的回路机制所知甚少。早期的研究表明,前额叶皮层(Prefrontal cortex,PFC)参与多种类型的高级认知活动,但对于PFC何时以及如何参与调控联合型运动学习目前尚无定论。

本研究首先以强、弱两种条件刺激(Weak conditioned stimulus, wCS;Strong conditioned stimulus, sCS)引导建立了两种难度不同的延迟型眨眼条件反射(Delay eyeblink conditioning,DEC)学习任务(即:wCS-DEC和sCS-DEC)。通过免疫荧光标记发现,wCS-DEC习得后,大鼠内侧PFC(mPFC)前扣带回亚区Cg1、Cg2的c-FOS阳性的细胞数量较未学习组显著增多,而sCS-DEC组则无显著变化,提示wCS-DEC过程显著激活了Cg1、Cg2脑区的神经元。

随后通过在体光遗传学实验实时观测了mPFC神经元对DEC学习的调节作用。首先在大鼠双侧mPFC注射携带有光敏通道(eNpHR3.0或ChR2)的重组pAAV病毒,表达4周后在mPFC植入光纤,实时抑制或兴奋mPFC谷氨酸能神经元活动,观察对不同难度DEC任务习得和表达的影响。结果发现,在sCS-DEC学习过程中,抑制或高频(100 Hz)兴奋双侧mPFC神经元不影响记忆获得;但在wCS-DEC组中,抑制或兴奋双侧mPFC神经元的活动均明显影响记忆的获得。此外,记忆提取实验表明,mPFC锥体细胞的正常活动对于wCS-DEC行为的近期(24h)和远期记忆(30d)的提取均非常重要,但对于sCS-DEC行为的近远期记忆提取则均无影响。

进一步实验通过对mPFC投射到脑桥核(Pontine nucleus,PN)轴突末梢的光遗传学干预确认了mPFC神经元调节DEC行为的回路机制。PN是条件刺激信号进入小脑的最后中转站, 实验首先在大鼠双侧mPFC注射携带eNpHR3.0或ChR2的pAAV病毒,待光敏通道蛋白表达并运输至对侧PN轴突末梢之后,在训练眼对侧PN植入光纤并对局部的轴突活动进行实时的光遗传学抑制或兴奋。实验发现,在DEC学习过程以及DEC记忆的近远期提取过程中,抑制或高频兴奋mPFC-PN轴突末梢的活动会影响wCS-DEC行为,而对sCS-DEC行为则无影响。

最后,该研究观察了对PN突触后神经元的光遗传学干预效应。在大鼠右侧PN注射携带ChR2的pAAV病毒,4周后植入光纤进行实验。结果显示在DEC记忆的获取以及近远期提取过程中,高频(100 Hz)兴奋PN神经元均不会影响上述两类学习。该研究首次明确了mPFC至PN的投射通路特异性参与了对wCS-DEC学习的调控。实验结果表明,即使对于同类型的任务,难度系数不同的两类学习也通过不同的神经通路接受调控,这为我们理解mPFC的复杂学习功能提供了新的依据和思路。

上述结果于2017年1月以论著的形式发表在神经科学的经典杂志《Cerebral Cortex》(IF = 8.285)上。该论文的通讯作者为第三军医大学基础部生理学教研室隋建峰教授及西南医院神经外科冯华教授。该论文由硕士生吴广延、博士后刘树雷为并列第一作者共同完成。

 

附:英文摘要

 

 Medial prefrontal cortex–pontine nuclei projections modulate suboptimal cue induced associative motor learning

 

Guang-Yan Wu, Shu-Lei Liu, Juan Yao, Lin Sun, Bing Wu, Yi Yang, Xuan Li, Qian-Quan Sun, Hua Feng× and Jian-Feng Sui×

Abstract   Diverse and powerful mechanisms have evolved to enable organisms to modulate learning and memory under a variety of survival conditions. Cumulative evidence has shown that the prefrontal cortex (PFC) is closely involved in many higher-order cognitive functions. However, when and how the medial PFC (mPFC) modulates associative motor learning remains largely unknown. Here, we show that delay eyeblink conditioning (DEC) with the weak conditioned stimulus (wCS) but not the strong CS (sCS) elicited a significant increase in the levels of c-Fos expression in caudal mPFC. Both optogenetic inhibition and activation of the bilateral caudal mPFC, or its axon terminals at the pontine nucleus (PN) contralateral to the training eye, significantly impaired the acquisition, recent and remote retrieval of DEC with the wCS but not the sCS. However, direct optogenetic activation of the contralateral PN had no significant effect on the acquisition, recent and remote retrieval of DEC. These results are of great importance in understanding the elusive role of the mPFC and its projection to PN in subserving the associative motor learning under suboptimal learning cue.

Key words: medial prefrontal cortex, pontine nuclei, associative motor learning, suboptimal cue

 全文链接:https://academic.oup.com/cercor/article-lookup/doi/10.1093/cercor/bhw410

 作者简介

隋建峰,博士,教授,博士生导师。总后“育才奖”银奖获得者,校“教学明星”。现任第三军医大学基础部教学实验中心主任,重庆市神经科学学会理事。长期从事认知神经科学教学科研工作,依托独具特色的条件反射认知实验技术平台和稳定的实验体系,致力于阐明特定条件反射行为的回路机制,主持完成国家自然科学基金5项,军队课题1项,发表论文60余篇,其中Cerebral Cortex、Neurobiology of Learning and Memory、Scientific Report 等SCI收录期刊论文20余篇,获国家专利5项,军队科技进步二等奖1项。主编教材2部,副主编参编教材5部,培养博士及硕士研究生17人。

 吴广延,第三军医大学基础部教学实验中心助教。2012年7月毕业于第三军医大学病理诊断专业,现为我校2015级生理学硕士研究生,导师隋建峰教授。主要采用光遗传学、在体钙成像以及行为电生理等技术研究学习记忆的神经机制,以第1作者在Cerebral Cortex等期刊发表SCI论著7篇,获授权国家发明专利2项、实用新型专利1项。

 

 

 


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