初级视皮层到V2和MT区的专用电路

摘要

在灵长类视觉系统中，感觉输入被解析为大细胞（M）、小细胞（P）和小细胞（K）处理流，并沿着解剖上分离和不同的路径从视网膜传递到初级视觉皮层（V1）(布拉斯代尔和隆德，1983年;Dacey，2000年;亨德里克森等人，1978年;亨德利和里德，2000年;亨德利和吉冈，1994年;迈克尔，1988年). 在V1中，解剖电路迅速变得更加复杂，M、P和K通路基本上汇聚在一起(Lachica等人，1992年;Yabuta和Callaway，1998年;Yabuta等人，2001年;Yoshioka等人，1994年). V1内早期平行通路的混合以及V1至纹状体外皮质区输出中明显缺乏分区(Sincich和Horton，2002年;肖和费尔曼，2004)，已被用作皮层内非特异性的证据，并导致一些人拒绝灵长类动物视觉系统的并行处理模型。然而，V1内局部连接模式的显著细胞类型特异性(Callaway，1998年a)使V1向纹状体外皮层区域的输出通过早期平行通路输入的特定组合传递特殊电路的可能性成为可能。

除V1外，视觉信息在相对独立的背部和腹部流中处理(DeYoe和Van Essen，1988年;利文斯顿和胡贝尔，1988年;梅里根和莫内塞尔，1993年;Zeki和Shipp，1988年). 背流皮层区域专门用于分析物体运动和空间关系，腹流皮层区域则专门用于分析形状和颜色等物体属性(Desimone和Ungerleider，1989年). 背流皮层区域从V1的4B层接收最强的输入，该层直接与MT、V3和V2的细胞色素氧化酶（CO）厚条连接(Burkhalter等人，1986年;Livingstone和Hubel，1987年;Shipp和Zeki，1989年). 长期以来，人们认为4B层仅通过4Cα层接收M通路的输入，向背流皮层区域发送M为主的信号。然而，近年来，对猴V1切片的光刺激研究表明，V1第4B层的锥体细胞同时接受M主导的4Cα层和P主导的4C-β层的功能输入(Yabuta等人，2001年). 而锥体细胞构成了4B层内的大多数细胞类型(Callaway and Wiser，1996年)，少数细胞具有棘状星状形态，仅从M为主的4Cα层接收输入，这表明背流可能通过这种方式接收M为主的信号(Yabuta等人，2001年).

在不同灵长类物种中，使用不同的方法学方法对V1的4B层到MT的投影进行了广泛研究(博伊德和卡萨格兰德，1999年;Elston和Rosa，1997年;Shipp和Zeki，1989年;Tigges等人，1981年; vogt（声音）Weisenhorn等人，1995年). 现有证据表明，猕猴的MT同时接受V1第4B层棘星状细胞和锥体细胞的输入(Shipp和Zeki，1989年;Sincich和Horton，2003年)由于技术考虑，包括部分单元格填充和切向剖切，确定和量化每种单元格类型比例的尝试受到了限制。虽然已知4B层投射到MT的神经元与投射到V2的神经元是分开的群体(Sincich和Horton，2003年)目前尚不清楚这两个种群在形态上的差异。在本研究中，我们使用了一种狂犬病病毒，该病毒经过修饰，通过用其基因组中的绿色荧光蛋白（GFP）替换病毒糖蛋白，作为强大的单突触逆行示踪剂(Wickersham等人，2007年). 通过将这种狂犬病病毒注射到MT或V2中，我们获得了详细的树突形态，并能够在从V1的4B层投射到这些纹状体外皮层区域的细胞之间进行定量比较。我们发现，投射到MT的细胞主要为星状棘细胞，而投射到V2的细胞绝大多数为金字塔形。无论细胞类型如何，细胞体大小和树突总长度等形态学差异都进一步区分了这两个细胞群体。最后，这些种群的切线分布相对于CO斑点和间斑点的上覆模式存在差异，投射到MT的金字塔细胞偏向于斑点。因此，从V1投射到MT的棘状星状和锥体神经元将其树突限制在从M受体层4Cα接收输入的位置。这些结果为V1中的特殊和独特电路提供了证据，这些电路将快速M主导信号传递给MT，将M和P混合信号传递给V2。

结果

我们使用一种修饰的、表达GFP的狂犬病病毒作为单突触逆行示踪剂来研究猕猴V1与MT和V2区的联系(Wickersham等人，2007年). 特别是，我们有兴趣确定V1第4B层中直接投射到MT或V2的锥体细胞与棘状星状细胞的比例。狂犬病病毒注射靶向两只猕猴（三个半球）的皮层区MT和两只猕猴的V2（两个半球）（见实验程序）。在7天生存期（JNM2为3天生存期）后，对动物进行灌流，并对大脑进行切片和CO染色以及抗GFP抗体（见实验程序）。经组织学证实，注射部位仅限于MT(图1A–B)或V2(图1C)（见实验程序）。注射的狂犬病病毒感染了注射部位的胶质细胞，使GFP染色切片中的针迹可见。对于MT病例，使用髓磷脂或Nissl染色的相邻切片来确认针穿过了典型的MT上颞沟（STS）后缘的致密均匀髓鞘化区域(图1A–B). 在V2病例中，可以看到针头穿透V1独特的CO模式前面(图1C). 在检查组织切片时，在已知与注射的皮层区域有单突触联系的视觉区域发现了逆行标记的细胞。正如预期的那样，已知为MT提供前馈输入的纹状体外皮层区域标记了局限于粒上层的细胞，而已知为MT或V2提供反馈输入的区域标记了限制于粒下层的细胞(Maunsell和van Essen，1983年).

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图1

狂犬病病毒在MT或V2中的注射部位。（A）

Nissl染色的单个冠状切割皮质切片显示STS内的针迹位置（黑色箭头）。黑线表示髓鞘决定的MT的大致外侧和内侧边界。（B）冠状切割的皮质切片，与（A）髓磷脂染色。黄色线条表示背部MT.D典型的均匀致密髓鞘形成模式的大致外侧和内侧边界；五十、 横向。比例尺英寸（A）和（B）等于100μm。（C）一个单独的冠状切割皮层切片，染色细胞色素氧化酶（CO；棕色）和GFP（黑色），显示V2中狂犬病注射区域（黑色箭头）沿眼睑表面的位置。比例尺等于1毫米。

MT注射后，如先前报告所预期，在第4B层和第6层中发现V1内的标记细胞(图2A-B) (Shipp和Zeki，1989年). 标记细胞散在跟骨沟（JNM2，JNM14）和鳃盖表面（JNM14。然而，狂犬病/GFP标记细胞的总数和密度低于标准示踪剂的观察结果(表1)，可能是由于狂犬病病毒滴度和轴突末端病毒摄取效率等技术考虑。这些病例中标记的第6层Meynert细胞数量大约为每10层4B细胞1个，数量不足，无法进一步分析（数据未显示）。然而，在第4B层中标记的细胞数量很大(图2A-B). GFP在每个细胞的整个过程中都有表达，允许进行广泛的形态学分析(图2A-B和​和3A）。3A级). 事实上，将4B层细胞归类为锥体或棘状星状细胞非常简单。按病例平均值计算，MT注射逆行标记的4B层细胞中76%为棘状星状形态，其余24%为锥体(表1;图3C). 病例之间存在一些差异，JNM2中高达93%的棘状星状细胞，JNM14L中低达67%的棘形星状细胞。这种变化不是偏心的明显结果，更可能是MT注射部位变化的结果（即不同的层流深度）。然而，在所有情况下，4B层中逆行标记的细胞群至少为三分之二的棘星状(图3C). 先前通过猕猴V1切片中4B层神经元的盲细胞内填充估计，锥体细胞约占三分之二(Callaway and Wiser，1996年). 因此，MT注射后我们观察到的棘状星状细胞的比例明显高于4B层细胞随机取样的预期（Fisher精确检验，p<0.05）。

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图2

MT或V2注射后V1第4B层逆行标记神经元。

（A和B）副矢状面切片CO和GFP染色显示棘状星状神经元（A）或锥体神经元（B）从MT逆行标记V1的4B层。（C）冠状切片CO和GFP染色显示V1 4B层的锥体神经元从V2逆行标记。显示低（左）和高（右）放大图像，并显示皮质层。插图中显示了单个放大倍率较高的图像（B）。比例尺英寸（A） 和（C）等于100μm。插入的比例尺（B）等于50μm。

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图3

从V1到MT或V2的4B层突出的细胞类型

（A）和B）

投射到MT的棘状星状（左）和锥体（右）神经元的计算机辅助树突重建（A）或V2（B）。显示图层。比例尺等于100μm。（C）投射到MT或V2的棘状星状（深灰色）和锥体（浅灰色）神经元的平均百分比。所示为MT的JNM2（星形）、JNM14L（三角形）和JNM14R（六角形）壳体，V2的JNM8（圆形）和JNM12（方形）壳体。括号中显示了每种单元格类型的总数。

注射V2后，在第4C层外的所有层中均发现V1内的标记细胞。在第2/3层中发现了大量标记细胞（数据未显示），在第4B层中有大量狂犬病/GFP标记细胞(表1;图2C). 我们没有将V2注入局限于特定的条带类型，并且很可能在每次穿透时注入多个条带类型。有迹象表明，除了V2中的厚条纹外，4B层还突出为淡条纹(Sincich和Horton，2002年)然而，逆行标记的大多数4B层细胞很可能是注射的结果，包括V2中的厚条纹(Sincich等人，2007年). 再次获得了引人注目的形态学细节，可以将细胞简单地分为锥体或棘状星状细胞(图2C和​和3B）。3B公司). 所有病例的平均值显示，从V2注射中逆行标记的4B层细胞中，83%为锥体形态，其余17%为棘状星状细胞(表1;图3C). 两种情况之间差异不大，JNM8中有85%的锥体细胞，JNM2中有82%锥体细胞。我们在注射V2后观察到的金字塔比例与随机取样4B层细胞的预期比例没有统计学差异（Fisher精确检验，p>0.05）(Callaway and Wiser，1996年). 与此形成鲜明对比的是，从V1的4B层投射到MT的细胞类型的比例是压倒性的星形棘细胞，与投射到V2的细胞类型比例有显著差异（Fisher精确检验，p<0.001）(图3C). 这些结果表明，高度专业化的电路将不同的视觉信息传递给MT或V2。

虽然从V1到MT或V2的第4B层投射的细胞数量具有非常不同的细胞类型比例，但它们仍包含大量的两种细胞类型。因此，我们有兴趣研究这两种细胞群之间是否存在其他差异。此前有报道称，这两个种群的细胞体大小不同(Sincich和Horton，2003年)我们确实证实了这一发现(表2;图4A). 平均而言，MT-投射细胞的胞体大小是V2-投射细胞（MT:329μm）的两倍以上²，V2:146微米²; t检验，p<0.001）。细胞体大小不取决于细胞类型，因为对于给定的皮质注射靶点，锥体和星状体之间没有显著差异(表2;图4A). 然而，细胞体大小的分布确实基本重叠，最大的V2投射细胞具有与最小的MT投射细胞相似的大小(图4A). V2投射细胞也被发现位于4B层较浅的位置（层流深度指数=0.68），而MT-投射细胞（层流厚度指数=0.78）（Mann-Whitney检验，p<0.02）(表2;图4B). 虽然一直在4B层的最底部发现向V2投射的星状物（层流深度指数=0.90），但在整个层的表面和整个层中都发现了向V2投影的金字塔（层流厚度指数=0.63）（Mann-Whitney检验，p<0.001）。很可能，MT投射细胞的较深位置允许它们从层4Cα内接收大量输入。

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图4

投射到MT或V2的V1神经元之间的解剖学差异。（A）

4B层刺状星状（黑色）和锥体（深灰色）神经元投射到MT或刺状星形（浅灰色）的百分比，以及锥体（白色）神经元根据其胞体面积投射到V2的百分比。（B）根据层流深度指数，投射到MT（左）或V2（右）的4B层棘状星状（黑色）和锥体（灰色）神经元的百分比。索引值为1表示位于第4B层底部的神经元，索引值为0表示位于第3B层顶部的神经元。（C）根据斑点距离指数，4B层刺状星状（黑色）和锥体（灰色）神经元投射到MT（顶部）或V2（底部）的百分比。索引值为1表示位于距两个最近的blob等距的interblob中的神经元，索引值为0表示位于blob正下方的神经元。

为了进一步评估这两个细胞群中更细微的差异，我们完全重建了投射到MT（5星状，5锥体）或V2（3星状，五锥体）的细胞亚群的树突(图3A-B). 正如预期的那样，投射到MT或V2的金字塔和棘状星状体的树突长度大部分位于4B层（约70%）(表3). 然而，令人惊讶的是，第4C层α中的树枝状长度百分比较高（约20%），而第4A层中始终存在少量树枝状长度（约2%）。未发现树突延伸至4Cα层以下，只有锥体细胞的顶端树突延伸到4A层以上(表3;图3A-B). 无论细胞投射到V2还是MT上，这些顶端树突通常是无树突的（约75%），且厚度相似（约3.5μm）(表2). 两个群体之间唯一明显的差异是MT投射细胞的树突总长度较高（MT:6908μm，V2:4163μm；t检验，p<0.01）(表3). 4B层的情况尤其如此，投射到MT的两种细胞类型的树突状长度明显大于投射到V2的细胞类型（t检验，p<0.01）。仅凭肉眼就可以清楚地看到，V2投射细胞具有更稀疏的树突状场(图2和​和3）。三). 此外，投射到MT的锥体神经元的顶端树突比投射到V2的锥体的顶端树突终止得更靠近第1层的顶部（t检验，p<0.01）(表2).

对于投射到MT或V2的锥体和棘状星状体，评估了4B层细胞相对于2/3层CO斑点模式的位置。由于我们的切片是垂直于皮质表面切割的，我们无法绘制出细胞相对于完整的CO斑点二维图的位置。相反，我们测量了每一个细胞体到两侧最近的两个CO斑点的距离，并计算了斑点距离指数(表2;图4C)（见实验程序）。水滴距离指数为零表示水滴中心正下方的细胞体，而水滴距离指标为1表示水滴间的细胞体（与两侧水滴等距）。鉴于我们对V2的注射可能包括所有三种CO条纹类型，我们预计V2投射层4B细胞会不加区分地位于斑点和斑点间的下方，事实确实如此（斑点距离指数=0.60）(表2;图4C) (Sincich和Horton，2002年,2003). 以前关于MT投射人群的研究不太清楚，有一些证据表明没有偏见(Shipp和Zeki，1989年;Sincich和Horton，2003年)还有其他证据表明斑块偏向于斑点(博伊德和卡萨格兰德，1999年). 我们标记的MT-projecting细胞的总体数量没有显示出对斑点或间斑点的明显偏见（斑点距离指数=0.35）。值得注意的是，我们的标记细胞总数很低，可能使我们无法观察到人群中存在的偏见。然而，当我们分析单个细胞类型与斑点模式的关系时，我们惊讶地发现锥体细胞始终位于斑点下方(图2B和​和4C）。4摄氏度). 虽然棘状星状体对斑点或间斑点没有明显的偏向性（斑点距离指数=0.43），但锥体细胞对斑点表现出强烈的偏向性(表2). 在MT-投射细胞中，发现金字塔比星状细胞更接近斑点中心（Mann-Whitney检验，p<0.01）。此外，发现MT-投射金字塔与V2-投射金字塔相比，更接近斑点中心（Mann-Whitney检验，p<0.001）。这一结果可能解释了文献中先前的许多差异，并对M与P通路的连通性具有有趣的电路含义。

讨论

我们的观察为从V1直接投射到MT的高度专业化神经元群提供了证据，这些神经元在功能上受M通路支配。这些神经元与投射到V2的神经元不同，V2整合了来自M和P通路的信息。投射到MT和V2的神经元的特殊功能作用是由我们观察到的解剖学特殊化所暗示的，如图图5我们发现，从V1投射到MT的神经元大多是棘状星状细胞，而那些投射到V2的神经元主要是锥体。此外，少数具有锥体形态的MT投射细胞优先位于CO斑点下方，而投射到MT的星形胶质细胞和投射到V2的两种细胞类型的神经元没有表现出任何明显的斑点或间斑偏向。因此，所有投射到MT的4B层神经元将树突限制在从M受体4Cα层接收强输入的区域。无论细胞类型如何，投射到MT的神经元也比投射到V2的神经元大得多，并且树突总长度更大，尤其是在4B层内。总之，这些观察结果表明，MT投射神经元专门负责M通路所携带信息的快速传输，而涉及M和P混合输入的较慢计算则由V2投射神经元介导(图5).

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图5

V1至V2和MT区的专用电路

通过V1的4C和4B层将M和P输入传输到MT或V2的电路示意图。两个棘状星状体（80%，中间偏左)和金字塔（20%，最左边的)从V1到MT的投射将树突限制在通过4C层α神经元（红色轴突）接收M输入（红色箭头）的区域。这些区域包括4B层和2/3层的上覆CO斑点。因此，从V1的4B层到MT的投影主要由M路径控制（红色箭头）。相反，投射到V2的大多数4B层神经元是金字塔（80%，中右翼)位于blob和interblob下面。这些神经元通过第4C层β神经元（蓝色轴突）整合P输入（蓝色箭头）和通过第4C层α神经元（红色轴突）集成M输入（红色箭头），以向V2和间接向MT提供M和P组合投影（紫色箭头）。少数刺状星状体（20%，最右边)到V2的项目提供了弱M输入（红色箭头）。枝晶以黑色显示。从4C层α神经元轴突到4B层神经元树突的假定突触接触位置用红点表示，从4Cβ神经元的假定突触体接触位置用蓝点表示。4B层神经元是取自图3。显示了图层。

我们发现从V1的4B层投射到MT的神经元是一个多刺星状结构。这些神经元可能向MT传递M支配的输入信号，因为星状体仅接收M支配层4Cα的输入信号(Yabuta等人，2001年). 特别引人注目的是，星形胶质细胞构成了投射到MT的大多数细胞类型，因为它们只是4B层神经元中的一小部分(Callaway and Wiser，1996年). 然而，值得注意的是，少量金字塔也投射到了MT上。由于之前已经证明MT的非突触输入几乎完全来自M主导的4Cα层(Nassi和Callaway，2006年)，投射到MT的少量金字塔细胞可能仅从M为主的层4Cα接收输入，因此与接收混合M和P输入的层4B中的大多数金字塔不同。MT-投影金字塔优先位于斑点下方，这进一步支持了这一建议（详见下文）。与投射到MT的群体相反，我们发现锥体细胞是投射到V2的大多数细胞类型。这些神经元可能将混合的M和P输入传递给V2，也可能间接传递给MT(Yabuta等人，2001年;Nassi和Callaway，2006年). 综上所述，这些结果表明，从V1到MT的投影是高度专业化的，与其他V1输出不同。

根据细胞类型以外的许多参数，投射到MT的神经元可以与投射到V2的神经元区分开来。先前的研究报告显示，MT投射神经元比V2投射神经元大得多(Sincich和Horton，2003年). 事实确实如此，平均投射到MT的神经元是平均投射到V2的神经元的两倍多。重要的是，细胞体大小的差异不能简单地用星形细胞大于金字塔来解释(表2)这表明，即使投影到MT的金字塔也与投影到V2的金字塔不同。MT-投射细胞的胞体越大，可能对应的轴突直径越大，这将介导相对快速的动作电位传导(Rockland，1995年).

与投射到V2的神经元相比，投射到MT的神经元也位于4B层更深处，更靠近4C层α边界。我们认为，散布在第4B层深度的V2投射锥体细胞的更异质性是造成这种差异的主要原因；再次表明，投射到MT的金字塔可能是一个特殊种群的一部分，与投射到V2和其他区域的金字塔不同。位于靠近4Cα层的位置可以使MT投射神经元从LGN的M层或M支配的4Cα中的神经元接收更广泛的输入。事实上，位于4B层较浅的4B层神经元向内延伸至4C层α的树突长度较小（数据未显示）。

在分析投射到MT或V2的每种类型神经元树突的层流分布时，很明显存在相当大的相似性。无论细胞类型或投射靶点如何，所有4B层神经元的绝大多数树突位于4B层和4Cα层，少量树突也始终存在于4A层。没有一个神经元的树突延伸到4Cα层以下，只有锥体神经元的树突延伸到4A层以上。然而，预测MT或V2的人群之间存在一些重要差异。最显著的区别是，MT-投射神经元的树突总长度比V2-投射神经元大得多，尤其是在4B层。这可能表明投射到MT的神经元从4B层或4Cα层的其他神经元接收到更广泛的输入。同样，投射到MT的金字塔在第2/3层中的树突长度比投射到V2层的金字塔长，前者的顶端树突明显靠近第1层的顶部。投射到V2的金字塔通常有顶端树突，其末端远低于第1层，而投射到MT的金字塔通常具有延伸到软脑膜的顶端树突。来自LGN中K层的直接丘脑输入，以及来自MT和其他区域的反馈连接，可通过层1内MT投射金字塔的顶端树突接收(Blasdel和Lund，1983年;丁和卡萨格兰德，1997年;Shipp和Zeki，1989年).

有趣的是，投射到MT的金字塔始终位于CO斑点下方。以前在猕猴身上的研究没有观察到MT投射神经元存在斑点偏倚(Shipp和Zeki，1989年;Sincich和Horton，2003年)很可能是因为这些神经元中的大多数是刺状星状体，在本研究中不分青红皂白地发现于斑点和间斑点下方。只有当从神经元总数中单独分析MT投射金字塔时，这种细胞类型中的斑点偏差才变得明显。博伊德和卡萨格兰德（1999）据报道，丛林猴和猫头鹰猴体内存在斑点偏倚，部分原因可能是金字塔构成了这些猴类中大多数的MT投射细胞(Diamond等人，1985年;希普和泽基，1989年). 可能是投射到MT的金字塔优先位于CO斑点下方，因为与斑点间不同，这是顶端树突能够从4Cα层采样M输入的位置(Lachica等人，1992年;Yabuta和Callaway，1998年). 这与之前显示的直接从V1投射到MT的神经元几乎完全从M通路接收输入的事实一致(Nassi和Callaway，2006年). 相比之下，在V2中投射到CO厚条纹的金字塔（反过来投射到MT）优先位于CO间斑之下(Sincich和Horton，2002年)其中顶端树突只能从4Cβ层获得P输入(Lachica等人，1992年). 这与之前研究表明从V1投射到V2的神经元从M和P通路接收混合输入的事实一致(Nassi和Callaway，2006年). 我们认为，由于M通路的匹配输入模式，活性依赖性发育过程可能是CO斑点下方MT投射金字塔选择的基础。interblob下的MT投影金字塔可以接收P输入，从而导致输入和输出之间的不匹配。这种不匹配可能导致顶端树突回缩(Koester和O'Leary，1992年;Callaway，1998年b). 或者，间斑下的金字塔最初可能投射到多个皮层区域，然后收缩投射到MT(Barone等人，1995年). 这些结果再次表明，即使投射到MT的少量金字塔也是专门化的，与投射到V2和其他区域的金字塔不同。

MT区从V1第4B层高度专业化和独特的神经元群接收其主要上升输入。尽管M和P通路汇聚到4B层内的大多数神经元上，但这种神经元群允许M为主的信号快速传导到MT。众所周知，投射MT的V1神经元具有高度的方向选择性(Movshon和Newsome，1996年)，但需要更多的研究来全面描述它们的响应曲线。从V1层4B投射到V2层的神经元接收收敛的M和P输入，并可能间接将不同的视觉计算传递给MT。未来的研究将有必要从MT的许多输入途径中的每一个途径中识别和记录，以阐明每一个途径对MT视觉反应以及对运动和深度感知的功能贡献。

实验程序

致谢

脚注

工具书类