图为苑克鑫教授

2017年10月31日，清华大学医学院生物医学工程系副教授、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院和清华大学也类脑计算研究中心研究员苑克鑫课题组在大脑皮层研究专业学术期刊《Cerebral Cortex》上在线发表了题为“Fast Inhibitory Decay Facilitates Adult-like Temporal Processing in Layer 5 of Developing Primary Auditory Cortex”（抑制性作用的快速衰减使幼年初级听觉皮层第五层的时间信息处理能力与成年类似）的研究论文。该文首次报道了在功能方面皮层layer 5 （L5）可以先于一直被认为最先成熟的主要丘脑输入接收层，layer 4 （L4），表现出与成年类似的特性，并揭示了皮层内抑制性作用在其中所扮演的关键角色。该发现支持L5可能是独立于L4的重要丘脑输入接收层这一观点。考虑到L5是皮层最主要的信息输出层之一，该研究进一步提示L5相对于L4的较早功能成熟可能对于其皮层内及皮层下投射目标区域的功能成熟至关重要。苑克鑫研究员为该论文通讯作者，生物医学工程系博士生谢凤华和游玲为该论文共同第一作者，苑克鑫课题组其他博士生也参与了部分实验工作。

时间信息处理是听觉系统的重要功能之一，听觉皮层L4时间信息处理成熟过程受到早期感觉环境影响。苑克鑫课题组于2017年初已经报道了初级听觉皮层L4的抑制性环路是早期感觉经验对幼年皮层时间信息处理能力进行调控的主要目标。在传统的丘脑皮层信息传输分层模型中，信息的流向是丘脑→L4→L2/3→L5/6。然而，在多个物种的不同感觉皮层累积的证据表明L5的神经元也可以直接接收显著的丘脑输入，因此L5可能代表不同于L4的独立信息处理系统。鉴于时间信息处理对人类语言理解和动物发声识别的重要性，研究清楚时间信息处理能力在L5中的发育过程对于全面理解听觉皮层功能发育非常重要。

苑克鑫课题组研究发现大鼠初级听觉皮层(A1)第五层椎体神经元（pyramidal neurons）在幼年即可表现出类似于成年的对重复性声音刺激的忠实跟随，并进一步通过在体全细胞膜片钳记录发现发育皮层中的L5具有显著缩短的抑制性突触输入时程，从而避免了出现在L4的抑制性作用的叠加，提高了神经元对时间信息的分辨率。另一方面，无论是在幼年还是成年听觉皮层中，快速放电神经元 (fast-spiking neurons)都能对快速变化的声音信号做出忠实反应。这是首次在听觉皮层中发现细胞类型特异性的时间信息处理发育现象。

苑克鑫课题组的发现对于认识皮层时间信息加工处理的过程和机制有多重意义。L5是大脑皮层的主要输出层，可以投射到皮层内区域和皮层下的核团。首先，皮层L5时间信息处理能力相对较早的成熟过程可能有助于接收来自L5大量投射的浅层L2/3的时间信息处理过程的发育。其次，L5到纹状体有大量投射。 纹状体参与决策、行为选择和强化学习等，发育中的L5神经元对外部刺激的忠实反应将为纹状体的听觉区域提供时间上的动态输入。苑克鑫课题组的研究表明L5神经元在发育早期已经具备和丘脑同步的能力。高级丘脑直接接收L5的下行投射。第一批大脑皮层→丘脑的投射和丘脑→大脑皮层的投射几乎同时到达，因此L5的投射可能首先激活的是丘脑，来支配皮层间信息的传递和分布，从而促进综合的全局神经网络发生。

苑克鑫课题组致力于中枢听觉系统研究，结合转基因动物，病毒工具，解剖学，电生理学，光学，行为学和计算等多种技术手段，从神经环路角度研究听觉皮层和丘脑如何在声音信息处理和动物情绪行为中发挥重要作用。该项研究得到了国家自然科学基金委，清华大学医学院生物医学工程系和清华大学类脑计算研究中心的资助。