Vision is the most important sensations in many species including humans. Through the vision, animals can avoid potential threat. Also, they associate neutral stimuli with visual threat to learn approach and attack of predators. Despite of the importance of visual threat learning, there has been rare studies for elucidating neural circuit mechanisms underlying visual threat learning. It is due to absence of proper behavioral test models in animals. Thus, this study established new behavioral model for visual threat learning in mice. In this model, the mice form auditory and contextual fear memory through the looming visual threat. By using the visual threat learning model, this study revealed that CGRP+ neurons in SPFp and PBN regions are necessary for processing the visual threat information. The two regions have been known as ascending pain pathways. Thus, the participation of these regions in processing visual threat information implies that SPFp and PBN might have central roles in mediating multi-modal sensory threats. Furthermore, this study verified the distinct role of CGRP$^{SPFp}$ and CGRP$^{PBN}$ neurons. The CGRP$^{SPFp}$ neurons are necessary in regulating immediate defensive behaviors against visual threat, while the CGRP$^{PBN}$ neurons mediate visual threat learning and learned freezing behaviors.
In addition, we elucidate the SC is the upstream visual pathway that convey the visual threat information to the
SPFp and PBN. By using retrograde tracing and optogenetic terminal inhibition method, this study discovered that
non-overlapped subpopulations of SC neurons have convey functional inputs to the SPFp and PBN respectively. Another interesting discovery is that the pAIC-to-PBN pathway is also necessary in visual threat learning. It suggests that the PBN might be a central hub evaluating danger levels for threat learning by integrating comprehensive information from various brain areas.
The present study reveals that CGRP$^{SPFp}$ and CGRP$^{PBN}$ neurons, which have been known as pain pathway, play essential roles in processing visual threat information. Moreover, it is demonstrated that the SPFp and PBN have distinguished functional role in immediate defensive behaviors and visual threat learning. Finally, the functional upstream pathways including SC-to-SPFp, SC-to-PBN, and pAIC-to-PBN were discovered in the study. This study is expected to significantly contribute to the understanding of the neural circuitry underlying visual threat learning, previously unexplored.
인간을 비롯한 대다수의 동물 종에서 시각은 잠재적 위협을 미리 발견하고, 그것을 회피할 수 있도록 뇌에 정보를 제공하는 중요한 감각이다. 더욱이, 동물들은 천적의 접근과 같은 시각적 위협정보와 천적이 나타나기 전에 감지된 다른 감각적 정보들을 연관시켜 생존에 필수적인 위협요소들을 학습한다. 하지만, 적합한 행동실험 모델의 부재로 인하여 지금까지 시각적 위협자극을 통한 공포 학습을 조절하는 신경회로 메커니즘은 연구된 바가 거의 없다. 본 연구에서는 생쥐모델에서 시각적 위협을 이용한 공포학습 행동실험 모델을 구축하였다. 해당 모델에서 시각적 위협자극은 생쥐에서 청각공포기억과 공간공포기억을 형성하였다. 본 연구는 해당 행동실험모델을 이용하여 시각적 위협학습에 필수적인 신경회로 메커니즘에 대해 밝혔다. 본 연구는 유전학적 뉴런 억제 기술을 이용하여 기존에 통각 상행경로로 알려져 있던 후방뇌실과 팔곁핵 영역이 시각적 위협 정보를 전달하는데 필수적임을 증명했다. 이는 후방뇌실과 팔곁핵 두 영역이 통각 자극 뿐 아니라 다른 위협적 감각자극의 처리에 대한 중추적 역할을 할 수 있음을 시사한다. 나아가 후방뇌실은 시각적 위협에 대한 선천적이고 즉각적인 방어행동을 야기하는데 필수적이며, 팔곁핵은 시각적 위협정보를 통한 공포학습을 매개하고 학습된 방어행동을 야기하는데 필수적이라는 것을 확인했다. 두 영역의 선천적 방어 행동과 공포 학습에 관련된 기능적 분리는 본 연구에서 최초로 규명되었다. 나아가, 위둔덕영역이 후방뇌실과 팔곁핵으로 정보를 전달하는 상위 시각경로라는 것을 밝혔다. 위둔덕 신경회로의 기능을 검증하기 위하여 광유전학적 방법을 이용하여 위둔덕 신경회로 말단을 억제하였다. 이를 통해, 위둔덕-후방뇌실 회로는 선천적 방어행동에 필요한 시각적 정보를, 위둔덕-팔곁핵 회로는 공포학습에 필수적인 시각적 정보를 전달한다는 것을 확인하였다. 더욱이, 뇌섬엽-팔곁핵 신경회로 또한 공포학습에 필수적인 회로임을 확인하였다. 이는, 팔곁핵 영역이 여러 뇌영역에서 종합적인 정보를 받아 위협에 대한 판단 중추로서 기능할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 시각적 위협자극을 통한 공포학습에서 기존 통각 상행 경로로 알려진 두 영역이 다른 감각의 위협 자극 정보를 처리하는데 필수적인 역할이 있음을 밝혔으며, 두 영역의 기능이 분리되어 있음을 증명했다. 나아가, 두 영역으로 시각적 위협에 대한 정보를 전달하는 새로운 뇌신경 회로인 위둔덕-후방뇌실, 위둔덕-팔곁핵, 뇌섬엽-팔곁핵의 기능을 규명하였다.
