2023年8月25日，《Nature Communications》期刊在线发表题为《A Frontal Transcallosal Inhibition Loop Mediates Interhemispheric Balance in Visual Processing》的研究论文，该研究由上海交通大学医学院张思宇研究组与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐敏研究组合作共同完成。研究基于小鼠二选择非强迫视觉变化检测行为，综合运用单细胞钙成像、光遗传以及脑片电生理等多项技术，发现左右两侧前扣带回皮层ACA间存在由跨胼胝体投射的锥体神经元CPN和接受跨胼胝体投射的PV+神经元（PV+cal neuron）组成的抑制性通路，该环路控制双侧半球间跨胼胝体抑制平衡从而在视觉空间信息处理中发挥重要作用。在一侧前额叶受损的情况下，增强受损对侧前额叶PV+神经元活性从而重平衡双侧半球间活性可纠正受损导致的视觉空间偏好，与灵长类中观察到的“Sprague effect”类似，提示前扣带回主要参与视觉空间变化检测中视觉选择性注意相关成分。

两侧大脑半球之间的信息交流对于感觉信息的处理至关重要，而胼胝体作为大脑中最大的白质结构，连接了许多脑区^[1]。过去的研究发现，额顶叶皮层损伤导致的跨胼胝体抑制失衡会打破两侧大脑之间的活性平衡，严重时动物会出现忽视损伤对侧空间中出现的视觉刺激的情况^[2]。然而，这一现象背后的神经环路机制仍不明确。

为了探究这一问题，研究人员改进了视觉刺激变化检测任务^[3]，通过将视觉刺激置于小鼠两侧单眼区从而有利于检测双侧半球间的相互作用，再通过单细胞钙成像技术记录了小鼠在执行任务过程中扣带回皮层区域的跨胼胝体投射锥体神经元CPN活动情况（图1）。

图1

记录结果显示，偏好对侧视觉刺激反应的CPN数量要明显多于偏好同侧刺激的CPN，而且平均记录到的所有CPN的反应显示在对侧任务中的反应强于同侧任务中的反应，说明CPN主要负责处理对侧空间的视觉信息。光遗传激活CPN使对侧行为变好，同侧行为变差，抑制则得到相反的结果（图2），这表明CPN调控了双侧半球间ACA竞争性的相互作用。

图2

而抑制CPN位于对侧ACA的轴突末梢与抑制这些CPN的胞体引起的行为变化类似，表明跨胼胝体投射是ACA的CPN调控该行为的主要通路（图3）。

图3

为了进一步探究CPN是通过何种类型的中间神经元抑制对侧兴奋性神经元，作者使用了伪狂犬病毒逆向示踪技术，发现对侧ACA脑区中的兴奋性神经元以及三种主要的中间神经元（PV+，SST+，VIP+ neurons）都接受CPN的支配。脑片电生理的结果显示，CPNs主要是通过PV+神经元，尤其是接受跨胼胝体强输入的PV+cal神经元来选择性抑制对侧ACA脑区的CPN，从而形成了一条跨胼胝体的抑制性环路（图4）。

图4

更为重要的是，在单侧ACA受损小鼠的受损对侧ACA区域短暂提高PV+神经元的活性（仅在任务学习阶段提升PV+神经元活性）可以逆转单侧ACA受损带来的视觉空间偏好，并长期提升损伤对侧的视觉变化检测表现（图5）。临床上部分单侧额顶叶视觉选择性注意网路受损的中风病人会表现出忽视损伤对侧空间视觉刺激的半侧空间忽视症，该工作提示增强受损对侧的跨胼胝体抑制可能是治疗相应注意缺陷疾病的新思路。

­­图5

该研究在上海交通大学医学院张思宇研究员与中科院脑智卓越中心徐敏研究员的指导下，由博士生王彦婕、陈兆南以及副研究员马国芬共同完成，交大医学院的博士研究生王丽昭、博士后刘燕梅、本科生吴一帆以及脑智卓越中心的高级实验师秦梅玲、博士生费翔也作出了重要贡献。该工作获得科技部科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委员会、上海市和中科院的资助。

参考文献

[1] INNOCENTI G, SCHMIDT K, MILLERET C, et al. The functional characterization of callosal connections [J]. Progress in neurobiology, 2022, 208: 102186.

[2] CORBETTA M, SHULMAN G. Spatial neglect and attention networks [J]. Annual review of neuroscience, 2011, 34: 569-99.

[3] BURGESS C P, LAK A, STEINMETZ N A, et al. High-Yield Methods for Accurate Two-Alternative Visual Psychophysics in Head-Fixed Mice [J]. Cell Rep, 2017, 20(10): 2513-24.