光遺傳與鈣成像融合應(yīng)用：揭示丘腦在感覺與運(yùn)動(dòng)整合中的樞紐作用

本研究由Tomas Vega-Zuniga, Anton Sumser, Olga Symonova, Peter Koppensteiner, Florian H. Schmidt和Maximilian Joesch共同完成，成果以論文 《A thalamic hub-and-spoke network enables visual perception during action by coordinating visuomotor dynamics》于2025年2月在《Nature Neuroscience》 發(fā)表。

技術(shù)原理
01逆向跨突觸病毒精準(zhǔn)標(biāo)記
采用高嗜神經(jīng)性N2c狂犬病病毒載體實(shí)現(xiàn)特異性神經(jīng)環(huán)路示蹤。將病毒注射于上丘淺層（sSC），逆向標(biāo)記其上游vLGN神經(jīng)元。結(jié)合轉(zhuǎn)基因小鼠（Gad2-Cre）證實(shí)：vLGN的GABA能神經(jīng)元直接投射至sSC，形成單突觸抑制通路。該技術(shù)突破傳統(tǒng)解剖追蹤的精度局限，首次明確vLGN→sSC的抑制性連接拓?fù)洹?/span>

發(fā)展歷程與應(yīng)用場景
01概念提出與技術(shù)迭代（1998–2015）
1998年Crapse提出"伴隨放電"理論，解釋運(yùn)動(dòng)中的感知補(bǔ)償機(jī)制；
2010年光遺傳學(xué)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞特異性操控，推動(dòng)神經(jīng)環(huán)路功能解析；
2014年雙光子顯微技術(shù)突破深層腦區(qū)成像限制，首次實(shí)現(xiàn)活體軸突終末動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

02臨床關(guān)聯(lián)與病癥實(shí)證（2020–至今）
研究聚焦兩類運(yùn)動(dòng)相關(guān)性感知障礙。
掃視抑制缺陷：vLGN功能缺失導(dǎo)致眼球快速運(yùn)動(dòng)時(shí)視覺殘留延長100ms，引發(fā)運(yùn)動(dòng)模糊。
深度感知障礙：視覺懸崖實(shí)驗(yàn)中，vLGN抑制小鼠因運(yùn)動(dòng)模糊無法判斷深度，墜落風(fēng)險(xiǎn)增加2.3倍。

重要發(fā)現(xiàn)
01運(yùn)動(dòng)副本信號(hào)的精準(zhǔn)分離
通過偽掃視實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)區(qū)分真實(shí)運(yùn)動(dòng)與視覺模擬：視網(wǎng)膜輸入對(duì)兩者響應(yīng)相似（斜率0.89），而vLGN終末僅對(duì)真實(shí)眼球運(yùn)動(dòng)激活（斜率0.42, P<10⁻¹³），證實(shí)其特異性編碼運(yùn)動(dòng)指令副本。

02時(shí)空信息銳化的雙模態(tài)調(diào)控
時(shí)間維度：抑制vLGN使sSC神經(jīng)元響應(yīng)時(shí)程延長100ms。
空間維度：光遺傳刺激使神經(jīng)元感受野中心區(qū)域縮小53%，顯著提升空間分辨率。

03全腦協(xié)同的閉環(huán)控制
病毒示蹤發(fā)現(xiàn)vLGN向紅核（運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)）、橄欖頂蓋前核（瞳孔調(diào)控）等結(jié)構(gòu)直接投射。光激活vLGN同步觸發(fā)瞳孔擴(kuò)張（Δ面積23%）與定向運(yùn)動(dòng)（速度峰值45°/s），形成感知-動(dòng)作閉環(huán)。

挑戰(zhàn)與展望
當(dāng)前臨床轉(zhuǎn)化面臨三重障礙。
空間分辨率瓶頸：雙光子成像難以解析vLGN內(nèi)部微環(huán)路（含15種GABA能亞型），需結(jié)合三光子顯微技術(shù)提升穿透深度。
跨物種機(jī)制差異：人類vLGN同源結(jié)構(gòu)（膝狀體前核）功能未明，亟需開展非人靈長類光控研究。
閉環(huán)延遲限制：光遺傳干預(yù)與行為響應(yīng)的毫秒級(jí)延遲影響實(shí)時(shí)矯正效能。

未來將聚焦三大方向：開發(fā)高通量全腦成像技術(shù)，同步解析vLGN多靶點(diǎn)動(dòng)態(tài)；探索帕金森病運(yùn)動(dòng)視障的vLGN調(diào)控療法；結(jié)合深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型構(gòu)建仿生神經(jīng)假體。本研究所確立的"丘腦樞紐"模型，為攻克運(yùn)動(dòng)相關(guān)性感知障礙提供了變革性技術(shù)框架。

DOI:10.1038/s41593-025-01874-w.