神经科学与认知科学领域一个非常基本的问题是：大脑如何感知、加工和处理外部刺激信息，特别是与情绪、情感相关的信息？大脑根据外部刺激中所包含的，具有“生物学显著”意义的成分，做出趋利避害的判断决策，是动物赖以生存的基本能力之一，但运行于这些生命活动现象的脑功能机制仍然不甚明了。例如，人和动物的大脑在进化过程中都保存有一种重要的功能，用于对自然界中不可预知的外部危险信号产生本能的警觉、防御反应。而目前人们认识到，这种针对特定模态刺激作出对应行为反应的能力对映着大脑本能防御神经环路（Innate brain circuits of defense）的功能。这些环路在被外部威胁激活后，表现为人和动物本能的恐惧和焦虑行为，而这些环路病理性的改变可能与恐惧症和精神分裂症等疾病的产生有关。 本能恐惧信息处理的一个重要特征是对危险刺激快速的过滤、加工和识别过程，由此人们提出了情感信息处理的皮层下通路假说：即存在一条由皮层下感觉整合中枢，将粗略的、包含危险刺激信息的成分（主要是视觉），不经过皮层加工直接传递至（恐惧）情感处理中枢的神经通路，来执行对突然或潜在的威胁做出快速防御反应的功能。一般认为在这条通路起源于灵长类动物中脑的上丘（Superior Colliculus），经过丘脑枕核（Pulvinar nucleus）的中继到达边缘系统的杏仁核（Amygdala）。但是，由于几个关键核团间的结构联接和功能联系都不十分清楚，皮层下通路假说目前存在较大争议。本论文围绕这一问题展开工作，利用光遗传学（Optogenetics）高时空分辨率及细胞选择性特异性的神经环路调控技术，结合在体光遗传学-神经电生理记录以及神经环路示踪技术，在啮齿类动物模型中从形态、功能到信息编码规律几方面，证实了小鼠中一条专门处理本能恐惧行为的皮层下通路的存在，主要结论包括： 1）上丘中层（Intermediate layers）存在着可以响应基于视觉的本能恐惧刺激信息的神经元，并且介导着本能恐惧反应的产生；2）通过光遗传学技术标记并选择性激活这些神经元，可以直接启动本能恐惧反应，包括一个长时间的非条件冻结行为（Freezing），及伴随着的持续性焦虑样状态；3）上丘中层会发送非常快速的兴奋性输入到达外侧杏仁核（Lateral amygdala，杏仁核主要的非条件输入接受部位），最快的响应约6 毫秒。清醒记录中显示，外侧杏仁核在光刺激上丘诱发的长时间恐惧反应中持续性激活，而药物抑制杏仁核实验显示其对于本能恐惧反应的产生起到至关重要的作用；4）神经环路示踪结果显示，啮齿类动物上丘到杏仁核之间存在至关重要的单突触联接节点—后外侧丘脑核（Lateral posterior thalamic nucleus），这一结构对应于灵长类动物的丘脑枕核结构；5）从上丘中层，过后外侧丘脑到达外侧杏仁核的途径，构成了皮层下处理本能恐惧的通路，并且这条通路非常特异性的调控着本能防御的冻结行为；6）在本能恐惧的皮层下通路工作同时，另外一条由上丘出发的途径会发送一个快速的警觉信号，到达大脑多巴胺系统腹侧被盖区（Ventral tegmetal area）快速干预动物的动机行为。 接着，我们发现在精神分裂疾病模型小鼠中，无论是激活本能防御行为后泛化的焦虑持续状态，或者是本能恐惧环境（高架十字迷宫）中自发的焦虑水平都表现出显著的水平低下，类似于精神疾病患者的情感认知障碍和对外界危险的漠视。而这种异常行为学表型，可能与处在杏仁核和腹侧被盖区下游，大脑的快感中枢伏隔核（Nucleus accumbens）中的兴奋/抑制网络失衡有关。电生理学数据分析显示，伏隔核中快速放电的抑制性中间神经元的活动在疾病诱导发作后显著下降。这一结果指导我们后续的研究中，发现光遗传学调控伏隔核抑制性中间神经元网络可以有效纠正小鼠的异常症状。 此外，我们开展了应用神经调控技术影响神经环路间神经振荡和同步化活动的研究，包括：1）分析了活体水平记录到海马-内嗅皮层环路在颞叶癫痫发作中的痫波传播，研究应用光遗传学调控海马抑制性网络干预异常超同步化，从而抑制癫痫发作和传播的机制；2）研发了一套应用无创经颅弱直流电刺激技术，调控大脑皮层事件相关神经节律活动，从而增强运动任务控制能力的实验范式。希望能对将神经环路调控理论应用于实际应用做出探索性的工作。 理解运行于情感、思维和行动等大脑高级功能之中的神经环路链接方式与工作模式，以及神经环路工作过程中神经系统信息处理的独特机制，将是本世纪脑科学研究面临最重大的挑战。而脑科学研究技术，特别是指神经环路功能解析技术的发展，是我们有可能在一些关键科学问题中取得突破，获得原创性科学发现的核心推动力。本文开展的各部分研究工作，获得有价值的研究发现的过程，都绝非一己之力可以完成。而是凭借在深度的多学科交叉以及跨实验室的团队合作中，应用以光遗传学为核心发展出的神经环路调控、标记以及分析的新技术，逐步实现了对神经环路功能更加精确的解析。因此本文中也给出了光遗传学技术应用到活体水平对神经环路的调控中一些需要注意的问题和相关的建议。