Neuromodulatory inputs from the basal forebrain (BF) and locus ceruleus (LC) are widespread in the mammalian cerebral cortex and are known to play important roles in attention and arousal, but little is known about the selectivity of their cortical projections. In the first study, we have identified anatomic and functional differences in the way BF cholinergic neurons and LC noradrenergic neurons project into primary sensory cortices using a dual retrobead tracing technique along with optogenetic stimulation. While BF projections are highly selective to individual sensory cortices, LC projections diverge into multiple sensory cortices. To our knowledge, this is the first definitive proof that BF and LC projections to primary sensory cortices show both anatomic and functional differences in selectivity for modulating cortical activity. In addition to subcortico-cortical projections, intra-cortical circuit networks are also important to mediate sensory-guided motor actions as well as efficient sensory processing. During the perceptual behaviors, robust activities are recruited from the sensory to frontal cortex, but exact neural mechanisms underlying precision in the motor decision based on relevant sensory cues remain unclear. Here, we manipulated and measured neural activities from the cingulate cortex (Cg) in head-fixed mouse performing a visual detection task. We found that inactivation of Cg disrupted the precise perceptual action with a failure of withholding impulsive action. We identified sensory and motor signals in Cg and found that two distinct neuronal populations in the Cg processing amplified sensory signals and ramped-down motor signals reliably encode trial-by-trial variations in timing of perceptual action. Furthermore, optogenetic activation of subset of sensory-responsive Cg cells was sufficient to release licking action. Our data demonstrate that the Cg is a key structure repressing impulsive action and transforming visual information to perceptual action via a ramp-to-threshold reduction in the neural signature of inhibitory control.
기저 전뇌부와 청반에서 비롯된 신경 조절 회로망은 포유류의 대뇌 피질로 광범위하게 유입되며 집중, 각성 등에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으나, 그들의 유입 패턴의 선택적 정도에 대해서는 거의 알려진 바가 없다. 첫 번째 연구에서, 우리는 레트로비드를 이용한 이중 추적 실험 및 광유전학적 자극 실험을 통해 일차 감각 피질로 유입되는 기저 전뇌부의 콜린성 뉴런과 청반의 노르아드레날린성 뉴런들의 해부학적, 기능적 차이를 규명하였다. 개별적 감각 피질로 향하는 기저 전뇌부의 신경 회로망은 매우 선택적으로 유입되는 반면, 청반의 신경 회로망은 여러 감각 피질에 동시적으로 유입됨을 확인하였다. 이는 일차 감각 피질로 유입되는 기저 전뇌부와 청반의 신경 회로망의 피질 활성의 선택적 조절 정도에 대한 해부학적, 기능적인 차이를 밝히는 명확한 입증이라 논할 수 있다. 한편, 피질 하부에서 피질 사이로 향하는 신경 회로망 유입뿐만 아니라, 피질 내부의 신경 회로망 네트워크 또한 감각 정보 처리 및 감각 정보 기반 운동 행동을 조절하는데 중요하다. 이와 같은 지각 행동 중에는 감각 피질부터 전두 피질에 이르기까지 여러 피질 영역에서 왕성한 신경 신호들이 발생한다. 그러나 유의미한 감각 정보에 기반하여 정교한 행동 결정을 내리는 신경 메커니즘에 대해서는 아직 알려지지 않았다. 두 번째 연구에서 우리는 머리가 고정된 마우스가 시각 탐지 과제를 수행하는 중에 대상 피질의 신경 활성 정도를 조작 및 측정하였다. 대상 피질의 약물학적 비 활성화는 충동적 행동 억제의 실패를 유발하여 정교한 지각 행동에 지장을 주었다. 우리는 대상 피질에서 감각 혹은 운동에 관련된 신호를 확인하였으며, 대상 피질 내의 두 상이한 신경 집단은 증폭된 감각 반응과 점진적으로 감소하는 신경 신호를 기반으로 지각 행동의 시간적인 시행 간 변이를 유의미한 수준으로 인코딩하고 있음을 밝혔다. 더 나아가 대상 피질 내의 감각 정보에 반응하는 신경 세포들을 광유전학적으로 활성화 시켰을 때, 시각 자극이 없는 환경에서도 핥는 행동을 충분히 유도할 수 있었다. 우리의 결과를 통해 대상 피질은 평상시 충동적 행동을 억제하고, 중요한 시각 정보가 존재할 경우 기존의 억제 조절의 신경 신호를 점진적으로 감소시킴으로써 시각-운동 정보 변환에 중요한 뇌 영역임을 증명하였다.
