我们的主要目标是阐明场景认知行为的神经生物学机制。

  人们日常生活当中的事件总是在某一个场景下发生。这里所指的场景包括个人在事件发生时的身体状态和外部环境。简言之,我们对事件的记忆总是和事件发生的场景紧密相连。不仅如此,我们所处的场景也影响着我们对外界刺激做出有利而恰当的行为反应。比如, 一个人在野外碰到一条蛇,他会表现出恐惧和躲避。相反,一个人在动物园里面见到一条蛇,他可以有截然不同的行为表现。总之,场景对行为产生的调节不单对学习记忆发挥重要作用,还对个体生存也起着至关重要的作用。

  因此,我们以小鼠的关联学习记忆作为行为范式,系统科学的研究场景(Context)如何影响调节行为的产生,并且深入研究其神经生物学机制。我们应用多学科的实验方法和目前世界前沿的技术方法,包括跨突触的环路标记,光遗传,在体钙成像(Miniscope imaging),电生理记录和定量动物行为学。

   1. 场景(Context)在海马脑区当中的编码 

  大脑当中的海马脑区被公认为对空间导向和学习记忆有重要作用,另外也被认为是主要感知场景(Context)的主要脑区。但是我们对场景在海马脑区当中如何编码却是知之甚少,包括在单细胞水平和神经环路的层面上。我们应用最近发展的在体钙成像(Miniscope imaging)技术,在自由活动的小鼠当中进行大规模的神经元活动记录。通过这种方法,我们试图鉴定出对场景编码的特定神经元群体, 比较不同场景对应的神经元编码群体的差别,跟踪同一神经元群体的编码在关联学习之后的变化。

   

  场景的感知是一个比较高级的认知功能,这往往是从各种模式的感官信息整合而来,比如视觉,听觉,触觉和嗅觉的感知信息。我们在鉴定出场景编码的神经元群体之后, 再进一步研究这些神经元群体如何编码具体的感觉信息,比如海马当中常见的位置细胞(place cell)跟场景编码是如何联系的。我们最终希望对场景的感知如何从各种具体的感觉信息整合而来提出科学解释。

   2. 海马细胞亚型的突触输入和输出 

  海马脑区当中有丰富的细胞种类,它们具有不同的标记蛋白或不同的突触输出投射。我们此前的研究发现腹侧海马有不同种类的神经元通过不同的输出投射介导着不同的行为学功能(Cell, 2016),因此我们现在主要研究腹侧海马不同投射神经元的突触输入。我们应用最近发展的跨突触的环路追踪技术,鉴定这些海马不同投射神经元的输入神经元在全脑的位置分布和特性差别。由于这些不同亚型的神经元在环路当中的位置往往交叉分布,这项环路追踪技术对于研究特定亚型神经元的功能具有至关重要的作用。最后,我们将结合光遗传和钙成像的方法,特异的研究不同的输入神经元对场景调节行为的功能作用。

  3. 场景调节(Contextual regulation)在焦虑和抑郁症中的作用 

  恐惧记忆的减弱(Fear extinction)需要一个主动学习的过程,即在非条件刺激(Unconditional Stimulus, US)不存在的情况下,通过反复的条件刺激(Conditional Stimulus, CS),从而削弱条件刺激(CS)和US的关联。在临床治疗创伤后遗症(PTSD)的方法中,就有基于此种行为学研究结果的治疗方法(Exposure therapy)。但是这种治疗不能根治,在患者处在治疗环境之外的时候,焦虑和抑郁等症状经常会复发。根据现有的研究进展,我们认为海马脑区向杏仁核脑区(Amygdala)和前额叶脑区(mPFC)的突触投射对恐惧记忆减弱的调节具有重要作用,即对场景调节具有重要作用。我们正开展实验工作验证这些突触投射的功能作用。然后我们会结合光遗传的方法操控这个突触投射的功能,从而改变场景调节的局限性。我们希望找到光遗传的有效刺激方法,帮助增强恐惧记忆减弱的效果,从而对临床治疗也提供借鉴和参考。

  4. 场景调节在高级认知功能中的作用 

  人类和非人类灵长类动物的活动场景对高级认知功能也有重要的调节作用。这样的例子在人类语言当中普遍存在,比如“火”在不同活动场景(语境)下面可以表述出截然不同的几个意思:火灾, 场面热烈和生气。我们通过和所里其他实验室合作,在灵长类动物上面建立行为学范式从而定量描述场景对高级认知功能的调节作用。然后我们用核磁功能成像的方法在全脑鉴定出重要的脑区,同时结合小鼠行为学的研究结果,对特定脑区的神经环路进行特异的电生理记录和功能操作。我们最终目标是建立一个广泛适用的数学模型来阐明活动场景对高级认知功能的调节机制。

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徐 春 博士

研究组组长;研究员