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【J Comp Neurol】Toru课题组利用近红外激光刺激结合功能核磁共振(INS-fMRI)揭示丘脑枕与视皮层之间的功能拓扑连接网络

[发布人]:史佳鑫[发布日期]:2023-02-22[访问次数]:364

202326日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所Toru教授Anna Wang Roe教授J Comp Neurol杂志在线发表封面文章:Functional topography of pulvinar-visual cortex networks in macaques revealed by INS-fMRI,首次在介观尺度上在体研究了丘脑枕的功能连接网络。 

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36740976/

 

在类人猿大脑中,丘脑枕复合体(pulvinar complex)是多个核团亚区的统称。根据组织化学染色的方法,丘脑枕中主要包括三个分区:中部丘脑枕(PM)、外侧丘脑枕(PL)、后侧丘脑枕(PI)。虽然目前已有大量基于解剖学手段得到的丘脑枕与其他皮层区域的大致连接拓扑样式,但是丘脑枕与经典视觉通路(腹侧流和背侧流)的关系仍然有尚未完全理解的部分。目前,研究人员认为丘脑枕PLPI中包含有两个清晰的与视觉地图相关的视网膜拓扑结构,因此本实验中对于应该观察到的连接样式具有明确的预期。本研究的目的是确定INS-fMRI技术具有显示拓扑状功能连接的能力,并进一步揭示该方法在其他研究方向中潜在的优势

本实验主要展示了在同一个丘脑枕中,通过一系列的刺激位点来揭示丘脑枕不同亚区与视皮层区域的拓扑状连接样式的差异性。在图2示例中,展示了三个位于同一个穿刺通道下,不同刺激深度的刺激位点(如红点所示)。通过对比Gattass等人建立的丘脑枕视觉地图,可以得出每个刺激位点在视觉地图中的位置(图2A-B)。图2C展示了冠状视图下的MRI图像,可见三个刺激位点均在视皮层区域中引起较强的BOLD反应,并且不同刺激位点所引起的聚集性反应处在不同的位置。为更加直观地展示BOLD反应在视皮层的视觉地图中所处的位置,本实验中重构了经摊平处理后的视皮层区域,并将BOLD反应像素投射到该摊平的视皮层上。该方法可以清晰地看到不同刺激位点在视皮层中引起的反应是非常局部并且符合拓扑状分布的(图2D);通过调整显著性阈值,可以进一步确定不同反应区域的中心位置,并且依然符合拓扑样分布。本实验还关注了更高级的视皮层:MT及其周围区域(MST/FST/V4t),结果发现MT区域与腹侧丘脑枕区域之间具有不同的连接样式,并且上述两个区域之间的拓扑状连接样式与早期视皮层区域的连接样式相一致(图3)。整体来看,当刺激位点稍微移动后,视皮层中的反应也随之发生拓扑状的移动。统计结果表明,PL更倾向与腹侧流的视觉通路连接,而PI则倾向与背侧流的视觉通路连接(图4)。

本文的研究结果表明,INS刺激所引起的功能性连接样式在很大程度上与早期发现的解剖学连接样式是一致的,因此也证明该方法对于研究功能连接环路的可行性。本实验也拓展了对丘脑枕与皮层区域功能连接的认识,更重要的是,也为将来在全脑范围内研究丘脑-皮层的功能连接提供可能性


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1. 丘脑枕中所有刺激位点的分布情况。本实验中,共在两只恒河猴的两个丘脑枕中的28个不同的位点进行了激光刺激。



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2. 视皮层中BOLD反应示例图。A:通过组织学染色确定刺激位点所处丘脑枕亚区。B:早期Gattass等人构建的丘脑枕视网膜拓扑图,对比图A可知:位点11位于下视野区域,靠近水平子午线的40°偏心角位置;位点12位于下视野区域中10-20°偏心角位置;位点13位于下视野的中央凹区域。CMRI冠状视角中展示BOLD反应分布情况。D:在重构的摊平的视皮层中展示BOLD反应位点11引起的反应主要位于外周视野,并靠近水平子午线;位点12引起的反应主要位于10-20°偏心角位置;位点13引起的反应主要位于下视野的中央凹区域。



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3. MT及其周围区域的BOLD反应分布情况



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4. 丘脑枕中不同亚区的刺激在视皮层中所引起反应的统计分析



浙江大学系统神经与认知科学研究所Toru Takahata教授Anna Wang Roe教授共同通讯作者姚松坪史孙航共同第一作者,周秋盈,王剑葆,杜潇为共同作者。本研究得到国家重点研发计划项目、国自然基因项目等的支持。



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