Top-down regulation of visual processing and innate behaviors in the neonatal brain

Abstract

Innate behaviors are essential for survival, yet the developmental mechanisms underlying their emergence remain poorly understood. In mammals, the orbitofrontal cortex (OFC), a higher-order brain area, is thought to mature slowly relative to lower-order brain areas, contributing minimally, if at all, to behavior during early neonatal development. Here, neural activity recordings in neonatal mice (P5-12) reveal that the OFC follows a similar developmental trajectory to the primary visual cortex (V1) and the primary somatosensory cortex (S1). Furthermore, we show that the OFC already during neonatal development preferentially projects monosynaptically to V1 and that these projections, when activated, reduce the visual light response in V1. We then demonstrate that the OFC-V1 pathway is engaged by a behaviorally relevant sensory stimulation paradigm, during which V1 somatostatin-positive (SST) interneurons are preferentially recruited by OFC. Finally, we observe that chemogenetic inhibition of OFC excitatory activity reduces light-avoidance behavior in neonatal mice, an innate survival-critical behavior, even before eye opening. Our findings suggest that traditional views of cortical development may underestimate the early behavioral relevance of the OFC, identifying it as an active source of top-down sensory control already during early neonatal development.

Angeborene Verhaltensweisen sind essenziell für das Überleben, doch die Entwicklungsmechanismen, die ihrer Entstehung zugrunde liegen, sind nach wie vor weitgehend unbekannt. Bei Säugetieren gilt der Orbitofrontalkortex (OFC) als ein übergeordnetes Hirngebiet, das im Vergleich zu untergeordneten Arealen langsamer reift und während der frühen postnatalen Entwicklung kein oder nur einen geringen Beitrag zum Verhalten leistet. Neuronale Aktivitätsaufzeichnungen in neonatalen Mäusen (P5-12) zeigen jedoch, dass der OFC einen vergleichbaren Entwicklungsverlauf wie der primäre visuelle Kortex (V1) und der primäre somatosensorische Kortex (S1) durchläuft. Darüber hinaus belegen wir, dass der OFC, bereits während der Neugeborenenentwicklung, bevorzugt monosynaptisch auf V1 projiziert und dass die Aktivierung dieser Projektionen die visuelle Lichtantwort in V1 abschwächt. Weiterhin zeigen wir, dass der OFC-V1-Pfad durch ein verhaltensrelevantes sensorisches Stimulationsparadigma aktiviert wird, in dessen Rahmen V1 Somatostatin-positive (SST) Interneurone präferentiell durch den OFC rekrutiert werden. Schließlich beobachten wir, dass die chemogenetische Hemmung exzitatorischer OFC-Aktivität das Lichtmeideverhalten neonataler Mäuse, ein angeborenes, überlebenswichtiges Verhalten, selbst vor der Augenöffnung reduziert. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass etablierte Konzepte der kortikalen Entwicklung die frühe verhaltensrelevante Rolle des OFC unterschätzen, und identifizieren ihn als eine aktive Quelle top-down sensorischer Kontrolle bereits während der frühen postnatalen Entwicklung.