听觉皮层中一种新的丘脑-皮层通路的发现：用于声音处理的并行拓扑排列的丘脑皮质回路

2025-05-02 Fri
在哺乳动物的大脑中，听觉感知依赖于从丘脑到皮层的信息传递。长期以来，内侧膝状体（medial geniculate body, MGB）被认为是听觉丘脑的主要枢纽，负责将声音信号传递到听觉皮层（auditory cortex, Auc）。然而，除了MGB之外，是否还有其他丘脑输入也参与了这一过程，仍然是一个未解之谜。为了解决这一问题，研究人员探索了丘脑中一个名为腹内侧核（ventromedial nucleus of the thalamus, VM）的区域，特别是其基底部分（basal region of the ventromedial nucleus, BVM），是否也参与了听觉信息的处理。
论文来源这篇论文由Zhikai Zhao、Xiaojing Tang、Yiheng Chen等作者共同完成，他们来自重庆大学、第三军医大学、广西大学等多个研究机构。该研究于2025年6月18日发表在Neuron期刊上，标题为《A Parallel Tonotopically Arranged Thalamocortical Circuit for Sound Processing》。
研究流程1. 确定BVM向听觉皮层的投射研究首先通过荧光逆行示踪技术，将霍乱毒素B（cholera toxin B, CTB）注入小鼠的听觉皮层，发现BVM区域有大量神经元向听觉皮层投射。这些神经元主要位于丘脑的基底部分，且这些投射具有频率调谐（frequency tuning）特性，与听觉皮层的音调拓扑图（tonotopic map）相匹配。
2. BVM投射的功能验证为了验证BVM投射的功能，研究人员通过化学遗传学（chemogenetics）方法抑制了BVM神经元的活动。结果显示，抑制BVM投射显著降低了听觉皮层神经元对声音的反应，并且损害了小鼠在声音频率辨别任务中的表现。特别是在频率接近的声音（如0.25个八度间隔）的辨别任务中，小鼠的表现显著下降。
3. BVM投射的频率调谐特性通过双光子钙成像（two-photon calcium imaging）技术，研究人员记录了BVM轴突在听觉皮层中的活动。结果显示，BVM轴突对特定频率的声音表现出强烈的调谐特性，且这些调谐特性与听觉皮层的音调拓扑图一致。这表明BVM投射在听觉信息处理中具有频率选择性。
4. BVM投射的突触靶点为了确定BVM投射的突触靶点，研究人员通过光遗传学（optogenetics）和全细胞膜片钳记录（whole-cell patch-clamp recording）技术，发现BVM轴突主要与听觉皮层第1层中的神经元源性神经营养因子阳性（neuron-derived neurotrophic factor-positive, NDNF+）中间神经元形成兴奋性突触连接。这些中间神经元在调节皮层神经元活动中起到了重要作用。
5. BVM投射的行为学意义最后，研究人员通过行为学实验进一步验证了BVM投射的功能。他们发现，抑制BVM神经元的活动会显著降低小鼠在听觉辨别任务中的表现，特别是在频率接近的声音的辨别任务中。这表明BVM投射在听觉信息处理中起到了关键作用。
主要结果BVM向听觉皮层的投射：BVM神经元向听觉皮层投射，且这些投射具有频率调谐特性，与听觉皮层的音调拓扑图一致。
BVM投射的功能：抑制BVM投射显著降低了听觉皮层神经元对声音的反应，并损害了小鼠在声音频率辨别任务中的表现。
BVM投射的频率调谐特性：BVM轴突对特定频率的声音表现出强烈的调谐特性，且这些调谐特性与听觉皮层的音调拓扑图一致。
BVM投射的突触靶点：BVM轴突主要与听觉皮层第1层中的NDNF+中间神经元形成兴奋性突触连接。
BVM投射的行为学意义：抑制BVM神经元的活动显著降低了小鼠在听觉辨别任务中的表现，特别是在频率接近的声音的辨别任务中。
结论该研究揭示了一种新的丘脑-皮层通路，即BVM向听觉皮层的投射。这一通路与经典的MGB/Auc通路平行，共同参与了听觉信息的处理。BVM投射具有频率调谐特性，且主要与听觉皮层第1层中的NDNF+中间神经元形成兴奋性突触连接。抑制BVM投射会显著降低听觉皮层神经元对声音的反应，并损害小鼠在声音频率辨别任务中的表现。这一发现不仅扩展了我们对听觉信息处理机制的理解，还为听觉相关疾病的治疗提供了新的思路。
研究亮点发现新的丘脑-皮层通路：该研究首次揭示了BVM向听觉皮层的投射，扩展了我们对听觉信息处理机制的理解。
频率调谐特性：BVM投射具有频率调谐特性，且与听觉皮层的音调拓扑图一致，表明其在听觉信息处理中具有频率选择性。
突触靶点的确定：BVM轴突主要与听觉皮层第1层中的NDNF+中间神经元形成兴奋性突触连接，揭示了其在调节皮层神经元活动中的作用。
行为学验证：抑制BVM投射显著降低了小鼠在声音频率辨别任务中的表现，特别是在频率接近的声音的辨别任务中，验证了其行为学意义。
意义与价值该研究不仅揭示了BVM向听觉皮层的投射在听觉信息处理中的重要作用，还为听觉相关疾病的治疗提供了新的思路。例如，通过调节BVM投射的活动，可能能够改善听觉障碍患者的听觉感知能力。此外，该研究还为理解其他感觉信息的处理机制提供了新的视角。
其他有价值的信息该研究采用了多种先进的技术手段，包括荧光逆行示踪、化学遗传学、双光子钙成像、光遗传学和全细胞膜片钳记录等。这些技术的应用不仅提高了研究的精度和可靠性，还为未来的相关研究提供了技术参考。